Платов Реферат

Формат документа: docx
Размер документа: 0.39 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.


ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственный университет «Дубна»
ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра проектирования электроники для установок «мегасайенс»
Реферат
по дисциплине «Оптические измерения»
по теме: «Влияние температуры и деформаций на оптическую систему»
Выполнил:
студент 4 курса
группы № 4142
Платов А.А.
Проверил:
к. т. н. ____________ Бородин А. Н.
Дубна, 2020
Оглавление
TOC \o "1-3" \h \z \u Введение. PAGEREF _Toc59718907 \h 3Влияние изменения температуры оптических элементов на положение и величину изображения. PAGEREF _Toc59718908 \h 4Влияние изменения температуры на взаимное расположение оптических деталей в конструкции. PAGEREF _Toc59718909 \h 7Термобарическое влияние на оптическую систему приборов. PAGEREF _Toc59718910 \h 10влияние деформации на оптическую систему PAGEREF _Toc59718911 \h 11СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ PAGEREF _Toc59718912 \h 15

Введение.
Для ряда приборов, особенно оптико-электронных, работа которых основана на применении современных, прежде всего матричных, приемников излучения, чувствительных в видимой и в ИК-области спектра, задача анализа влияния изменения температуры на параметры оптических систем, а, следовательно, и на выходные параметры этих приборов, представляется вполне актуальной. Приведены соотношения, определяющие положение и размер изображения при термобарическом изменении показателей преломления материала линз оптической системы. Показано, что на положение линзы при опоре ее преломляющей поверхности на базовую поверхность торца оправы или корпуса существенно большее влияние оказывают вызванные колебаниями температуры изменения диаметра окружности соприкосновения контактирующих деталей, чем изменения формы поверхности оптической детали. Показана необходимость пересчета показателей преломления материала линз при разработке оптических систем приборов, предназначенных для базирования в открытом космосе.
Некоторые оптические приборы, например, зрительные трубы, применяемые в качестве наблюдательных средств, прицелов и т.п., используются в любых климатических и погодных условиях. Изменение температуры обычно не оказывает заметного влияния на их выходные параметры. Объективы зрительных труб имеют малое относительное отверстие. Поэтому вызванное колебаниями температуры изменение аберраций образованного ими изображения не выходит за пределы допустимого, а продольное смещение изображения легко компенсируется подвижкой окуляра. Для других видов приборов, особенно оптико-электронных, в которых применяются современные, прежде всего матричные, приемники излучения, чувствительные в видимой и в ИКобласти спектра, как правило, необходимо учитывать влияние температуры эксплуатации на их характеристики. Примером могут служить вещательные и репортажные камеры цветного телевидения, основанные на применении высокосветосильных объективов переменного фокусного расстояния, формирующих изображение дифракционного качества. Требуемые значения функциональных характеристик и параметров, определяющих качество изображения, удается получить только при соблюдении точных значений конструктивных параметров сложной многолинзовой оптической системы, применении прецизионной механики и разработке конструкций камер, эксплуатируемых в различных температурных режимах. Другим примером служат приборы и комплексы, работа которых основана на использовании излучения в ИК-области спектра, имеющие специальную, как правило, светосильную и широкоугольную оптику. Область излучения при построении их оптической системы определяет потребность в применении не только линзовых, но и зеркальных элементов, весьма чувствительных к изменению конструктивных параметров, а, следовательно, и к изменению температур эксплуатации. Названные приборы предназначены для работы в любых погодных и климатических условиях, в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Поэтому анализ влияния изменения температуры на параметры оптических систем, а, следовательно, и на выходные параметры приборов, можно считать вполне актуальной задачей.
Влияние изменения температуры оптических элементов на положение и величину изображения.Колебания температуры окружающей среды приводят к изменению оптических постоянных материалов элементов оптических систем, геометрических параметров оптических и механических деталей. Низкая теплопроводность оптических материалов при резких изменениях температуры обусловливает появление в линзах температурных градиентов. Влияние неравномерного распределения температуры внутри оптических деталей на образуемое изображение теоретически рассмотрено профессором Г. Г. Слюсаревым [1] и показано на интересных примерах. Однако в реальных условиях применения приборов изменения температуры во времени можно считать достаточно плавными, а температуру всех элементов приборов — одинаковой. Исключение составляют приборы космического базирования: в этом случае необходимо применение специальных средств защиты приборов от теплового воздействия солнечного излучения. Равномерное изменение температуры элементов оптического устройства приводит, прежде всего, к продольному смещению плоскости изображения. Зависимость показателя преломления от изменения температуры определяется формулой:
(1)

где n — относительный показатель преломления [2] при температуре t0 ; — коэффициент приращения показателя преломления, °C-1.
Измерения показателя преломления n проводят в соответствии с ГОСТ 28869–90 при нормальных условиях рабочего пространства по ГОСТ 8.050-73: температура воздуха t0= 20,00,5 С ; атмосферное давление 101,3251,500 кПа; относительная влажность воздуха 5810 %.
В каталоге „Бесцветное оптическое стекло СССР“ [3] значения коэффициента приведены для линии С спектра кадмия как средние в диапазонах температур от –60 до +20 и от +20 до +120 С. Зависимость линейных параметров оптических деталей (толщин, радиусов кривизны) от изменения температуры определяется формулами:
(2)
где d0 и r0 — значения толщины и радиуса кривизны при температуре t0; — температурный коэффициент линейного расширения, С–1. В каталоге оптического стекла значения коэффициента приведены как средние в диапазонах температур от –60 до +20 и от +20 до +120 С. Если толщина линзы не является коррекционным параметром, то в первом приближении ее можно принять равной нулю. Применим приведенные выражения для определения величины продольного смещения изображения, образованного тонкой линзой. Оптическая сила тонкой линзы определяется формулой:
(3)

Дифференцируя эту формулу по n, r1 и r2, получаем:

Заменив дифференциалы конечными разностями, при dn=t, dr1=r1t, dr2=r2t и получаем:
(4)
где t=tt0 — разность температур. Положение предмета и изображения относительно главных плоскостей отдельного компонента в воздухе определяется известной формулой отрезков
(5)
где a — расстояние от передней главной плоскости до предмета; a — расстояние от задней главной плоскости до изображения. Дифференцируя эту формулу по a, a и f, получим:

Естественно принять da=0. При этом в случае одиночной линзы в воздухе выражение (4) позволяет полученное выражение представить в виде:
(6)
В тонком компоненте, состоящем из k тонких линз, главные плоскости всех линз совмещены, при этом оптическая сила компонента φ=i=1i=kφi Дифференцируя это выражение по i, где i=1,2,…,k1,k, получаем величину продольного смещения изображения, образованного сложным тонким компонентом:
(7)
Изменение фокусного расстояния тонкого компонента, обусловленное колебаниями температуры, определяет изменение масштаба (или поперечного увеличения) изображения. Чтобы определить, как изменяется поперечное увеличение изображения, образованного тонким компонентом, применим инвариант Лагранжа—Гельмгольца: n11l1=nkklk, где a=a=h, l и l — размер предмета и изображения в параксиальной области, h — высота осевого параксиального луча на главных плоскостях компонента. При этом

Следовательно,
(8)
Логарифмически дифференцируя это выражение и заменив дифференциалы величин конечными разностями, получим
(9)
Сумму членов в выражении (9) можно представить в виде:

Учитывая, что в случае тонкого компонента приращение ai=ai+1, а отрезок ai=ai+1, имеем

Положение предмета при колебаниях температуры окружающей среды считается неизменным, следовательно, a1=0. Будем считать, что для тонкого компонента в воздухе показатель преломления среды в пространстве предметов и изображений остается неизменным, т.е. n1=nk=0. При этом выражение (9) принимает вид:
(10)
В соответствии с выражением (7) отношение В результате принятых ограничений и выполненных преобразований находим, что относительная величина изменения изображения, образованного тонким компонентом, определяется выражением
(11)
Формулы (7) и (11) дают наглядное представление о влиянии изменения температуры окружающей среды на положение и величину изображения, образованного тонким компонентом, состоящим из произвольного числа линз, о зависимости продольного смещения и изменения размера изображения от термических свойств оптических материалов линз. Из этих формул следует, что термооптические аберрации [4] положения и увеличения изображения, образованного тонким компонентом, отсутствуют, если соблюдается условие:
(12)
В первом приближении любой компонент оптической системы можно считать тонким [1]. Вполне очевидно, что если термооптические аберрации компенсированы в каждом тонком компоненте, то они компенсированы и в системе в целом. При разработке конструкции и расчете оптической системы конструктор выбирает (или подбирает) материалы линз, прежде всего, из условия достижения требуемого качества изображения (минимизации остаточных аберраций). Для анализа термооптических аберраций, применив формулы (1) и (2), вычисляют значения показателя преломления и геометрические параметры линз при предельных значениях заданной температуры и выполняют расчет хода лучей через оптическую систему при полученных параметрах с помощью компьютерных программ, например, САРО, ОПАЛ, ZEMAX или др. Результаты расчета позволяют оценить потребность в компенсации термоаберраций и наметить пути ее осуществления. При разработке оптических систем все чаще применяются линзы и зеркала с несферическими поверхностями. Пусть образующая кривая поверхности оптической детали определяется уравнением:
(13)
При изменении температуры на t=tt0 координаты произвольной точки поверхности Z, Y получают приращения и становятся равными; YY t 1 ; Z Z t 1 . Выразив отсюда координаты выбранной точки и подставив их в уравнение (13), получим
(14)
Это выражение справедливо для любой точки поверхности. Поэтому в общем случае уравнение (13) с учетом изменения температуры можно переписать в виде:
(15)
Где Таким образом, получена, как и следовало ожидать, подобная кривая [5] с коэффициентом подобия T=t. При изменении температуры каждый коэффициент уравнения получает приращение.
(16)
Влияние изменения температуры на взаимное расположение оптических деталей в конструкции.Рассмотрим простейший случай плотного прилегания поверхности линзы к торцу посадочного гнезда оправы [6], как показано на рис. 1.

Предположим, что образующая кривая прилегающей поверхности оптической детали 1 описывается уравнением (13). Тогда при колебаниях температуры окружающей среды произойдет подобное изменение формы поверхности в соответствии с уравнением (15) и диаметра D окружности соприкосновения детали 1 с деталью 2. В результате этого изменится размер стрелки прогиба е на диаметре D=2y, отсчитываемой от вершины поверхности оптической детали 1 вдоль оси z в соответствии с принятым в оптике правилом знаков для продольных отрезков. Значение изменения стрелки с приемлемой точностью можно считать малым. Тогда, пренебрегая величинами второго порядка малости, значение изменения стрелки можно определить дифференцированием уравнения (13) с последующей заменой дифференциалов конечными разностями. В результате получаем
или
(17)
В этом выражении величина a определяется формулой (16), причем коэффициент подобия T=1+1t, где 1 — температурный коэффициент линейного расширения материала оптической детали 1. Величина y соответствует изменению температуры половины диаметра окружности соприкосновения и определяется в соответствии с законом температурного линейного расширения: y=y2t, где 2 — температурный коэффициент линейного расширения материала детали 2. При 2y=D выражение (17) можно представить в виде:
(18)
Первый член правой части выражения (18) определяет величину изменения стрелки при обусловленном колебаниями температуры изменении диаметра окружности соприкосновения деталей, а второй член — прилегающей поверхности оптической детали. При этом выражение (18) можно записать в виде:
(19)
Рассмотрим случай, когда прилегающая поверхность оптической детали имеет сферическую форму, образующая кривая которой определяется уравнением: y 2 =2rzz 2 , где r — радиус кривизны поверхности. При этом выражение (18) принимает вид:
(20)
Для оценки входящих в это выражение величин приближенно принимаем:
При этом
Пусть, например, оптическая деталь изготовлена из стекла ОК1, имеющего наибольший из оптических стекол коэффициент линейного расширения, среднее значение которого, согласно ГОСТ 28869-90, 113010–7, а материал оправы с наименьшим коэффициентом линейного расширения 2=810–6 — сплав ВТ1 [7]. Даже при таком неблагоприятном для сравнительной оценки сочетании коэффициентов линейного расширения материалов контактирующих деталей влияние изменения диаметра окружности соприкосновения деталей в 1,23 раза больше, чем влияние вызванного колебаниями температуры изменения формы поверхности оптической детали. В общем случае это соотношение достигает двух и более. В сложных конструкциях влияние изменения температуры на осевые или радиальные смещения элементов оптической системы, вызывающие расфокусировку и ухудшение качества изображения, можно найти, рассчитав размерные цепи [6]. Здесь рассмотрим простой пример температурного изменения воздушного промежутка между двумя линзовыми компонентами объектива, фрагмент которого представлен на рис. 2.

Воздушный промежуток (d) между линзами выдерживается с помощью промежуточного кольца размером l. При отклонении температуры от номинального значения на погрешность воздушного промежутка (d) будет влиять не только обусловленное температурой изменение размера l кольца (l), но и погрешности изготовления диаметров кольца D1 и D2. Например,

где R1, R2 — радиусы сферических поверхностей линз.
Термобарическое влияние на оптическую систему приборов.
В 1960—1970-х гг. авиация достигла потолка свыше 30 км [10]. Современные самолеты оснащены фотографической аппаратурой для дневной и ночной съемки, оптико-телевизионными системами дневного и ночного действия, ИК-приборами, тепловизионными системами и пеленгаторами и др. На высоте 10—20 км температура атмосферы порядка 55 С, атмосферное давление 26,14 5,51 кПа. Следовательно, при разработке оптико-электронной аппаратуры для авиационной техники необходимо проанализировать изменения выходных параметров аппаратуры при изменении термических и барических условий ее функционирования. Для пересчета показателя преломления материала оптических элементов можно рекомендовать следующие формулы:

где n() — показатель преломления материала при нормальных условиях измерения (приведен в каталоге); nt() — показатель преломления материала при условиях применения; N(,p,t,f) — показатель преломления среды при условиях применения; N() — показатель преломления воздуха при нормальных условиях измерения; p — давление окружающей среды, кПа; t — температура окружающей среды, C; f — парциальное давление водяного пара, кПа; k0 = 1, мкм–1 — волновое число в вакууме (при =0,54607 мкм, k0 2 =3,35354 мкм–2); абс — температурный коэффициент показателя преломления материала. Первая формула следует из определения показателя преломления. Вторая представляет собой выражение, приведенное в ГОСТ 28869-90 для вычисления показателя преломления воздуха при условиях измерения. В соответствии с формулой (22) показатель преломления воздуха при нормальных условиях равен

В результате получаем N()=1,00027348. Во второй половине прошлого века развитие космической техники определило потребность в оптико-электронных приборах космического базирования [11]. Наряду с космической фотографической аппаратурой создавались длиннофокусные телескопы для обзорного и детального наблюдения, крупногабаритные зеркально-линзовые объективы ИК-пеленгационной аппаратуры и объективы для телевизионной аппаратуры обнаружения. Нормальное атмосферное давление на Международной космической станции — 101,3 кПа, такое же, как на уровне моря на Земле. Следовательно, давление атмосферы станции на стекло иллюминатора равно 1 атм 1 кгссм2 . Такое же давление должна испытывать фронтальная линза герметичного объектива в открытом космосе, собранного в земных условиях. Для исключения этого явления конструкция объектива не должна быть герметичной, т.е. все оптические элементы должны находиться в условиях глубокого вакуума и температуры среды на орбите базирования. В этом случае естественно принять p=0 и f=0. Тогда в соответствии с формулой (22) получаем N(,p,t,f)=1. При этом формулу (21) для пересчета показателя преломления материала оптических элементов для оптической системы в космосе можно представить в виде:
(23)
Таким образом, при разработке оптических приборов космического базирования важно сохранить не только положение и величину изображения, но и качество изображения, для чего, прежде всего, необходима разработка устройств и способов выравнивания температуры элементов прибора.
влияние деформации на оптическую систему Оптоволоконные сети являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления. С одной стороны передача информации по волоконно-оптическим линиям имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю [1, 21-23], поэтому стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ [2, 27-29], вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне [3, 38-40]. С другой стороны для улучшения качества передачи сигнала, скорости передачи и объема передачи необходимо изучались и продолжают изучаться физические свойства оптического волокна. Важным направлением является изучение влияния деформации на показатель преломления сердечника оптического волокна [4, 16-20]. Вопервых, из-за особенностей определения геометрической длины волокна (длина определяется оптическими методами по времени распространения сигнала, которое зависит от показателя преломления), и из-за изменения значения показателя преломления, который зависит не только от материала, но деформации материала [5, 38-41; 6, 54-56]. А так же, из-за того, что сам показатель преломления будет определять характер распространения света в волокне, оказывать влияние на поляризацию и потери в процессе распространения сигнала. Для более глубокого изучения этих процессов производились исследования деформации изгиба оптического волокна, которые позволили получить новые данные о свойствах волокна. В статье описаны результаты исследований оптического волокна при изгибе, которые проводились с требованием МЭК 60794-1-2 [7] с отсутствием растягивающей нагрузки. В экспериментальной схеме использовался лазерный источник и приемник излучения на λ 1 = 1310нм и λ 2 = 1550нм, искусственно создавался изгиб оптического волокна, радиус изгиба изменялся. Измерения проводились в одномодовом режиме. Впервые проводились исследования при разрыве волокна, в виде разрыва оптических наконечников в розетке. При измерениях волокно перемещалось таким образом, что создавался изгиб, угол которого менялся в пределах от 0° до 180°, при этом проводились замеры затухания сигнала в зависимости от угла изгиба. На длине волны λ 1 = 1310нм проводились измерения затухания при изменении угла изгиба и расстояния между торцами оптических наконечников. Первые измерения зависимости затухания и радиуса кривизны (рис.1). Дальнейшие измерения проводились для трех радиусов кривизны Rкр1=4,8мм, Rкр2=2,9мм и Rкр3=2,3 мм. Для изменения расстояния между торцами оптических наконечников в розетке дополнительно устанавливались вставки толщиной 2,2 мм и 4,9 мм. Для каждой были проведены серии измерений при изменении угла изгиба от 0 0 до 1800 для трех радиусов кривизны. Данные, полученные в результате измерений представленные на рис.2.

Сплошной линией в каждой серии графиков показано затухание при наибольшем радиусе кривизны Rкр1=4,8 мм, пунктирной при Rкр2=2,9 мм, штрих пунктирной при Rкр3=2,3 мм. Для λ 2 = 1550нм измерения затухания при изменении угла изгиба проводились для шести радиусов кривизны Rкр1=6 мм, Rкр2=5,5 мм, Rкр3=5,4 мм, Rкр4=3 мм, Rкр5=2,2 мм, Rкр6=1,5 мм, Rкр7=1,4 мм. Данные, полученные в результате измерений представленные на рис.3.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы: 1. При прохождении сигнала по изогнутому одномодовому оптическому волокну происходит затухание сигнала на выходе (рис.1), даже при заявленных технических характеристиках волокна (диаметр изгиба 10 мм не ведет к затуханию сигнала). 2. Затухание сигнала растет при уменьшении радиуса кривизны (рис.2, рис.3).
3. С увеличением расстояния между торцами оптических наконечников оптический сигнал затухает сильнее (рис.4), то есть угол искривления, или угол при котором становятся заметны различия в затуханиях сигнала, уменьшается.

4. С ростом длины волны угол поворота, при котором возникают заметные потери сигнала в волокне, уменьшается с уменьшением радиуса кривизны оптического волокна (рис.5).

В результате обобщения полученных данные можно отметить следующую тенденцию: разность вносимых потерь при различных расстояниях между торцами оптических наконечников с увеличением угла изгиба увеличивается быстрее для малых радиусов кривизны. Последнее говорит о том что, происходит изменение направления максимума диаграммы направленности из торца оптического наконечника или (и) возможно поперечное смещение диаграммы направленности, вызванное сдвигом максимума поля моды, как результат отсутствия перпендикулярности волнового фронта и оси волокна вблизи торца наконечника. Помимо этого, при малых углах, отклонение волнового фронта от оси сердечника не превышается предельный угол скольжения и тем самым обеспечивается полное внутреннее отражение и связанные с ним малые потери, характерные для углов поворота меньших 700 (рис.2, рис.3). Следует также учитывать возникновение поляризационной модовой дисперсии, изменение показателя преломления вследствие эффекта фотоупругости, приводящее к погрешностям в определении длины оптического волокна рефлектометрическими методами, локальное изменение поля моды, приводящее к увеличению плотности потока энергии и возникновению нелинейных эффектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.{ https://www.studmed.ru/slyusarev-gg-raschet-opticheskih-sistem_e493a152d80.html }
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971. 940 с.
{ https://obuchalka.org/2011041554435/spravochnik-po-fizike-yavorskii-b-m-detlaf-a-a.html }
3. Каталог „Бесцветное оптическое стекло СССР“. М.: Дом оптики, 1990. 130 с.
{ https://meshok.net/item/199604976 }
4. Волосов Д. С. Фотографическая оптика (Теория, основы проектирования, оптические характеристики): Учеб. пособие для киновузов. М.: Искусство, 1978. 543 с.
{ https://www.studmed.ru/volosov-ds-fotograficheskaya-optika-teoriya-osnovy-proektirovaniya-opticheskie-harakteristiki_69e68c271c4.html }
5. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. М.: Недра, 1973. 296 с.{ http://e-heritage.ru/ras/view/publication/general.html?id=46105909 }
6. Зверев В. А. Замечание к расчету температурного изменения воздушных промежутков в оптической системе // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1967. № 9. C. 96—100.
{ https://pribor.ifmo.ru/file/article/17869.pdf }
7. Справочник конструктора точного приборостроения / Под ред. Ф. Л. Литвина. М.—Л.: Машиностроение, 1964. 944 с.
{ https://lib-bkm.ru/10274 }
8. РТМ 23—61. Методика расчета размерных цепей (на базе теории вероятностей). М.: Стандартгиз, 1962. 43 с.
{ https://static.my-shop.ru/product/pdf/254/2533650.pdf }
9. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1969. 512 с.
{ http://e-heritage.ru/ras/view/publication/general.html?id=46105909}
10. Cоветский энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1988. 1600 с.
{https://obuchalka.org/20190108106400/sovetskii-enciklopedicheskii-slovar-prohorov-a-m-1988.html}
11. Инженерный справочник по космической технике / Под ред. А. В. Солодова. М.: Воениздат, 1969. 693 с.
{https://www.studmed.ru/solodov-av-inzhenernyy-spravochnik-po-kosmicheskoy-tehnike_8a06bd647cc.html}
X