Акмаров К.А., Глухов М.А., Максимов А.Г., Шипулин Е.А., Шишаков К.В. Расчёт оптических систем в программных пакетах Zemax, Code V и OSLO
Подождите немного. Документ загружается.
21
Далее заполняем вторую строку. Тип объектов “Standard Lens” (стандартная линза). В
столбцах X,Y,Z Position вводятся координаты объекта.
Так как все координаты лазера равны нулю, то для этого объекта задаём только
координату Z=20 (в нашем случае пучок распространяется в направлении оси Z).
В столбцах Tilt About X,Y,Z задаётся угол поворота (в градусах) объекта вокруг оси
лежащей в плоскости объекта и параллельной соответствующей оси координат. Задаём
поворот 45˚ относительно оси X.
В столбце Material записывается то, из чего данный объект сделан в данном случаи
стекло марки BK7. При этом часть луча отразится, а часть пройдёт прямо.
В следующем столбце “Radius 1” задаётся радиус кривизны первой поверхности линзы
с учётом правила знаков (0-так как линза для деления пучка). В столбце “Clear 1” задаётся
диаметр первой поверхности линзы, можно считать, что это апертура (15-для того чтобы
лучи не выходили за пределы, взято с запасом для “Clear 2” ставим аналогично 15). Значение
“Edge 1” (край, граница) автоматически ставится равным значению “Clear 1”. “Edge 1”
определяет внешние границы линзы, его можно сделать больше чем “Clear 1”, но не меньше
22
иначе программа информирует об ошибке. “Thickness” - толщина линзы (0.003 для
уменьшения преломления).
Идём дальше. Заполняем третью строку. Тип объектов “Standard Surface” (стандартная
поверхность). Скажем так, данная поверхность будет зеркалом для направления лучей на
телескоп №2. Положение по оси Z будет точно таким же, как у линзы в приведущей строке и
равно 20 положение по оси Y=202 (по величине базы). Задаём поворот 45˚ относительно оси
X. В строке “Max Aper” (максимальная апертура) вписываем 15, а в “Min Aper” (минимальная
апертура) вписываем 0 если заданное число будет отлично от нуля, то будет получено
кольцо. В столбце материал вписываем MIRROR (зеркало).
Приступим к созданию телескопа. В нашем случаи, интерферометр будет представлен
двумя одинаковыми телескопами VLT, лучи от которых по средствам зеркал будут
подаваться на детектор с матрицей 300x300.
Так уж получилось, что сначала поставим детектор “Detector Rect” строка №5.
Координаты которого (0;101; 240.195) точность положение по оси Z крайне важна так как,
23
если детектор не будет стоять в точке пересечения лучей, ни какой чёткой интерференции не
будет. “Half width” (размеры по X и Y) (2;2) и “Pixels” (Количество пиксель по X и Y) задаём
(300;300). Всё остальное оставляем по умолчанию.
И теперь непосредственно VLT. Строка №5 будет зеркало M1(первичное). Тип
объектов “Standard Surface” (стандартная поверхность). Положение (0;0;200). В строке “Max
Aper” (максимальная апертура) вписываем 8.2 (диаметр зеркала), а в “Min Aper”
(минимальная апертура) вписываем 1 (отверстие в зеркале). В столбце материал вписываем
MIRROR (зеркало). В столбце “Radius” (радиус искривления) указываем -28.8 (по правилу
знаков). В Conic (коничность - определяет тип зеркала ) значение -1.004457.
Далее задаём вторичное зеркало M2 строка №6. Тип объектов “Standard Surface”
(стандартная поверхность). Положение (0;0;187.56) (подобрано экспериментально). В строке
“Max Aper” (максимальная апертура) вписываем 1.11 (диаметр зеркала), а в “Min Aper”
(минимальная апертура) вписываем 0. В столбце материал вписываем MIRROR (зеркало). В
столбце “Radius” (радиус искривления) указываем -4.553 (по правилу знаков). В Conic
(коничность - определяет тип зеркала) значение -1.66926.
Следующий элемент это линза, обеспечивающая прямолинейное распространение
лучей после телескопа строка №6. Тип объектов “Standard Lens” (стандартная линза). В
столбцах X,Y,Z Position вводятся координаты объекта (0;0;213.4).В столбцах Tilt About X,Y,Z
(0;0;0). В столбце Material записывается то из чего данный объект сделан в данном случаи
стекло марки BK7.
В следующем столбце “Radius 1” задаётся радиус кривизны первой поверхности линзы
с учётом правила знаков (12). В столбце “Clear 1” задаётся диаметр первой поверхности
линзы, можно считать, что это апертура (2-для того чтобы лучи не выходили за пределы и
оберации на границах) для “Clear 2” ставим аналогично 2). Значение “Edge 1” (край, граница)
автоматически ставится равным значению “Clear 1”. “Edge 1” определяет внешние границы
линзы, его можно сделать больше чем “Clear 1”, но не меньше иначе программа информирует
об ошибке. “Thickness”- толщина линзы (0.5 экспериментально).
24
Строка №7 содержит параметры входной диафрагмы (можно и не ставить). Тип
объектов “Standard Surface” (стандартная поверхность). Положение (0;0;170). В строке “Max
Aper” (максимальная апертура) вписываем 8.3, а в “Min Aper” (минимальная апертура)
вписываем 8.2. В столбце материал вписываем ABSORB (поглощающая). Всё остальное по
умолчанию. Для того что бы часть лучей от M1 не попавшие на M2 не портили внешний вид
ставим поглощающую поверхность перед зеркалом M1 строка №8. Тип объектов “Standard
Surface” (стандартная поверхность). Положение (0;0;187.4). В строке “Max Aper”
(максимальная апертура) вписываем 1.2 (диаметр экрана), а в “Min Aper” (минимальная
апертура) вписываем 0. В столбце материал вписываем ABSORB (поглощающая). Всё
остальное по умолчанию. На этом построение 1го VLT закончено. Осталось подвести луч к
детектору, по средствам двух зеркал.
Строка №9. Тип объектов “Standard Surface” (стандартная поверхность). №2.
Положение по оси XYZ (0;0;220). Задаём поворот 45˚ относительно оси X. В строке “Max
Aper” (максимальная апертура) вписываем 2 В столбце материал вписываем MIRROR
(зеркало).
Строка №10. Тип объектов “Standard Surface” (стандартная поверхность). №2.
Положение по оси XYZ (0; 99.89;220). Задаём поворот 43.4˚ относительно оси X. В строке
“Max Aper” (максимальная апертура) вписываем 1.3 В столбце материал вписываем MIRROR
(зеркало).
После задания VLT(1) создаём VLT(2) для этого повторяем все пункты, но при этом в
столбце положения по Y, везде, кроме последнего пункта, задаём 202.
В строке №17(№9) Задаём поворот -45˚ относительно оси X.
В строке №18(№10) Задаём поворот -43.4˚ относительно оси X. Положения по Y
(102.15).
25
Получаем элементарную модель телескопа-интерферометра (Майкельсона)
Для получения изображения с детектора делаем следующие действия на центральной
панели программы “Analysis”→”Detectors”→”Ray Trace…”
Далее, нажимаем “Trance” и ждём, когда компьютер просчитает лучи.
26
По окончанию закрываем это окошко и открываем “Analysis”→”Detectors”→”
Detectors Viewer” в идеале должно получиться (при длине волны 700 нм).
На детекторе должна наблюдаться интерференция в виде чередующихся тёмных и
светлых полос.
27
В действительности получаем нечто прохожее на это:
Такая итерационная картинка получается при длине волны 700 нм. Искажения на
краях картины связаны с тем, что фронт претерпевает изменения на зеркалах телескопа и из
плоского превращается в сферический.
Для того, что бы данные были достоверные, все расстояния нужно задать в метрах.
Проделаем следующее “System”→“General”→”Units”, затем в открывшемся окне указываем
в меню Lens Units параметр Meters.
На этом построение телескопа интерферометра можно считать законченным.
28
4. Проектирование оптических систем в программном пакете Code V
(Шипулин Е.А.)
Описание данных
1.Ввод данных.
При загрузке программы по умолчанию загружается New Lens Wizard –
редактор для создания новой оптической системы. Открываем Файл – Открыть –
Lens – ballcouple.
Перед нами задана линза в виде шара. Перед нами на экране окно Lens Data
Manager(LDM), в котором находятся такие конструктивные данные, как радиусы R,
толщины оптических элементов и промежутки d, названия материалов (стекол, кристаллов).
Здесь определяется местоположение апертурной диафрагмы, тип поверхности, закон
прохождения лучей через поверхность (преломление, отражение…). R и d могут быть
постоянными, варьируемыми (при оптимизации) или расчетными (например SO , SG).
29
Для того, чтобы установить такой признак, необходимо выделить нужную ячейку,
кликнуть правой кнопкой мыши, зайти в Свойства поверхности и выбрать там тип
величины: постоянная; переменная; сцепка.
В данном случае на поверхности устанавливается преломляющая поверхность. Чтобы
задать, например, отражение на поверхности необходимо выделить ячейку, кликнуть правой
кнопкой, зайти в Свойства поверхности, установить тип Отражение, здесь же при
необходимости можно задать характеристики зеркала.
В колонке Стекло задается материал: стекло или кристалл, из имеющихся в СodeV
каталогов стекол. Российского каталога стекла в программе нет. Поэтому, если есть
необходимость рассчитать систему с такими стеклами, можно воспользоваться
возможностью создания личного каталога стекла. Для этого в меню Lens выбираем Добавить
стекло в мой каталог и далее Regular. Здесь заносится название стекла, рабочие длины волн
и соответствующие показатели преломления. При занесении стекла из личного каталога в
LDM название стекла необходимо указать в '…'. Например: ' K8 '.
30
В зависимости от условий работы системы можно задавать переднюю апертуру NA,
заднюю апертуру NA’, диаметр входного зрачка, относительное отверстие. Изменить
атмосферные условия можно в меню Lens<параметры среды. Можно задавать
характеристики для специфических расчетов астигматов, афокалов, систем с учетом
поляризации, систем с аподизацией зрачка, проводить исследования по глубине резкости.
Чтобы обернуть систему в меню Правка надо выбрать Обратить, чтобы масштабировать -
Масштабировать. Чтобы задать децентрировку поверхности необходимо в меню
Lens<Свойства поверхности<Децентры, указать децентрировку новой системы координат,
связанной с децентрированной поверхностью, относительно предыдущей.
Необходимо выбрать тип децентрировки, и задать величины X-Децентр, Y-Децентр,
Z-Децентер – это координаты центра О новой децентрированной системы координат в
предыдущей системе, а так же Alfa Поворот, Beta Поворот, Gamma Поворот – углы
поворота децентрированной системы относительно предыдущей вокруг осей Х, Y, Z. Таким
образом будет установлена новая система координат, все последующие поверхности будут
задаваться в этой системе. Значения d (промежутков) есть проекция на ось Z. Если в
оптической системе децентрирована только одна поверхность необходимо на следующей
поверхности вернуться к первоначальной системе координат.