Анализ пространственного распределения энергии в планарной оптической равносигнальной зоне Текст научной статьи по специальности «Физика»

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ПЛАНАРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНЕ

Е.М. Богатинский Научный руководитель - к. т.н., с.н.с. А.Н. Тимофеев

Задача поставленной работы заключалась в исследовании распределения облученности, создаваемой несколькими источниками излучения, в произвольной точке пространства в пределах зоны действия для оптико-электронной системы управления.

Введение

В связи с тем, что облученность в каждой точке пространства от задатчика базовой плоскости распределена неравномерно [1], возникает необходимость исследовать распределение энергии в пространстве, охваченном областью работы предлагаемой системы. Требуется, чтобы оптическая равносигнальная зона (ОРСЗ) была как можно ближе к плоскости и ее форма, главным образом, определяет распределение энергии.

Поэтому при выполнении проекта предлагается посвятить основные исследования вопросу о влиянии расфокусировки и аберраций на пространственное распределение энергии в планарной ОРСЗ, что в конечном итоге определяет главную погрешность позиционирования [2].

Основная часть

Методика расчета пространственного распределения энергии в оптико-электронной системе с круговой ОРСЗ приведена в статье [1]. Объектив сфокусирован на максимальную дистанцию Lmax = 100 метров, найдем величину облученности в точке M(x, y, L) на различных дистанциях L при y = 0 (равносигнальная зона); x = var. Мы ищем распределение энергии в горизонтальной плоскости, т.е. изменение облученности на оси в зависимости от смещения x при заданной дистанции L (рис. 1). Согласно представленным зависимостям, можно сделать вывод, что величина провала энергии до значения нуля (просвета) на больших дистанциях контроля существенна [3].

Проведем расчет энергии для оптической системы, имеющей аберрации. С помощью программы OPAL была рассчитана поперечная сферическая аберрация представленного объектива, которая была представлена графически. На основании вышеизложенного согласно алгоритму [1], был произведен расчет пространственного распределения энергии в произвольной точке с учетом поперечной аберрации оптической системы. Алгоритм вычисления весьма трудоемкий и долгий. Вычисления производились поэлементно. Однако не исключена и граничная погрешность, обусловленная тем, что элементы имеют размеры. В некоторых случаях элемент не полностью попадал на выходной зрачок, хотя и был включен в общий результат. Результаты расчета (при y = 0) представлены на рис. 2. Данные зависимости показывают, что наличие аберрации идет в нашей системе на пользу, из-за чего величина области нечувствительность сокращается (эффект замытия).

Площади под графиками без учета и с учетом аберраций на одинаковых дистанциях равны, это означает, что энергетических потерь у нас нет и можно считать предложенную методику правильной.

Дальнейшая цель наших исследований состоит в рассмотрении градиента энергии в вертикальной плоскости в зависимости от смещения y при заданной дистанции L. Только в этом случае мы еще будем задавать смещение по оси x, т.е. мы будем «нарезать» графики на рис. 2 перпендикулярными плоскостями и расчет производить сразу с учетом аберрации оптической системы прожектора. Результаты представлены на рис. 3.

Рис. 1. Пространственное распределение энергии (Вт/м2) от 3-х источников в горизонтальной плоскости для оптической системы без наличия аберраций

при различных дистанциях

/ \ \ \ 1 = \ У = 50 м 0 мм

у Х

- / \ ^

МЮ -4 ООО -3 ООО -2 ООО -1 ООО 0 1С 00 2С 00 зс 00 4 С 100 50

Рис. 2. Пространственное распределение энергии (Вт/м2) от 3-х источников в горизонтальной плоскости для оптической системы при наличии поперечной сферической аберрации для различных дистанций

Рис. 3. Распределение энергии от источников в вертикальной плоскости на дистанции 10 м в зависимости от диапазона у и величины смещения х

Рис. 4. Распределение чувствительности в вертикальной плоскости в зависимости от величины смещения х на дистанции 10 м

Для нахождения чувствительности системы [4] необходимо найти тангенс наклона восходящего линейного участка графиков, представленных на рис. 3. В результате получим зависимость чувствительности от величины смещения (рис. 4).

В дальнейших исследованиях планируется создать макет предлагаемой схемы и оценить влияние характера аберраций с помощью физической модели на точность позиционирования, а также провести дополнительные исследования стабильности пространственного положения планарной ОРСЗ.

Заключение

• С помощью пакета прикладных программ МаШСАО составлен алгоритм расчета облученности по результатам предложенной методики [1].

• Рассчитана чувствительность оптико-электронной системы с ОРСЗ.

• Представленные в работе графические зависимости позволяют найти и оценить наиболее предпочтительные зоны управления.

Литература

1. Богатинский Е.М. Формирование и анализ пространственного распределения энергии в планарной оптической равносигнальной зоне // VII Международная конференция «Прикладная оптика - 2006» Т. 3. СПб: Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, 2006. С. 297-301.

2. Богатинский Е.М. Выбор параметров построения оптической схемы прожектора, реализующего круговую оптическую равносигнальную зону. / Девятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2004 г. для молодых ученых и специалистов. СПб.: СПбГУ, 2004. С. 48-49.

3. Барсуков О.А., Тимофеев А.Н. Особенности формирования оптической равносиг-нальной плоскости. // Оптико-электронные приборы и системы: Сб. науч. статей. Вып. 99./ Под ред. Э.Д. Панкова. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 1999.

4. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под общей редакцией Э.Д. Панкова. СПб: ИТМО, 1998.