CC BY
35
Е.Ю. Арефьев, В.А. Гилев, М.А. Голуб, H.J1. Казанский, C.B. Карпеев, И.И. Сисакян, В.А. Сойфер, B.C. Соловьев, Д.Н. Тихонов, Г.В. Уваров
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА, ФОКУСИРУЮЩЕГО В КОЛЬЦО
Оптический элемент, фокусирующий когерентное излучение в кольцо, открывает новые возможности для лазерной технологии сварки круговых швов, резки и сверления материалов. Теоретическое исследование и вычислительный эксперимент с фоку-сатором в кольцо проведены в работах [1,2]. В данной работе сообщается о реализации по технологии плоской оптики и описываются экспериментальные исследования фокусатора в кольцо с помощью автоматизированного оптико-цифрового комплекса, созданного на базе микроЭВМ и аппаратуры в стандарте КАМАК.
Для изготовления плоского фокусирующего элемента производился расчет на ЕС ЭВМ отсчетов его фазовой функции
Ф(г) = к(У f* + г2 - У fI + (г - r0)2), (1)
где
г - полярный радиус в плоскости элемента;
f0 - фокусное расстояние;
г0 - радиус кольца;
k=2it/A. - волновое число;
А - длина волны.
Затем квадратная матрица отсчетов записывалась на магнитную ленту, используемую для вычерчивания негативного полутонового фотошаблона на прецизионном фотопостроителе "Ромб" с разрешением 25 мкм. После контактного копирования фотошаблона на фотопластинки "Микрат" и отбеливания был получен элемент с непрерывным фазовым рельефом, имеющий диаметр 2а ■= 25,6 мм и параметры X = 0,63 мкм, f0 = 300 мм, г = 1 мм.
В экспериментальном исследовании плоского оптического элемента ставились задачи регистрации распределения интенсивности в фокальной плоскости, оценки ширины формируемого кольца, а также подсчета доли светового потока, направляемого в кольцо заданной ширины, то есть энергетической эффективности. Для проведения эксперимента создан автоматизированный оптико-цифровой комплекс, позволяющий ввести информацию о распределении энергии а фокальной плоскости оптической системы в память управляющей ЭВМ, обработать ее и отобразить графики распределения энергии на телевизионном полутоновом дисплее или зарегистрировать эти графики на планшетном графопостроителе.
Оптическая система комплекса (рис. 1) содержит лазер типа ЛГ-79~1> регулятор интенсивности на базе поляроида П, формирователь сферического пучка на базе объективов 01, 02 и диафрагмы Д. Фокусирующий элемент Ф преобразует сферический сходящийся пучок таким образом, что в фокальной плоскости имеет место характерное распределение излучения - кольцо, имеющее заданный радиус, ширину и интенсивность .
Преобразование фокального распределения интенсивности в электрический сигнал осуществляется фотоприемником в виде линейки ПЗС с 102^ светочувствительными элементами размером 6*6 каждый, 6 = 15 мкм. ПЗС-линейка установлена на горизонтальном двухкоординатном микрометрическом столике. Электронная часть комплекса
Fmc. 1. Автоматизированная оптическая система ДЛЯ исследования rhr>KVrwnvtnitl<» rrt опочоитэ
(см. рис. 1) выполнена на базе микроЭВМ "Электроника-60М", аппаратуры в стандарте КАМАК и располагается в одной стойке. Модуль ФПЗС [3] > управляющий работой ПЗС-линейки, задает режимы работы, производит аналогово-цифровое преобразование электрического сигнала в восьмиразрядный двоичный код, занесение в буферную память и выдачу данных на магистраль КАМАК.
Информация обрабатывается процессором М2 микроЭВМ "Электроника-60М". Промежуточные результаты и программы хранятся в ОЗУ, собранном на платах ПЗ, П2 , драйверы внешних устройств записаны в ППЗУ. Для хранения и загрузки системы QUE, программ управления экспериментом и обработки экспериментальных данных, самих данных эксперимента в состав комплекса включен накопитель на магнитной ленте НМЛ типа ИЗОТ-5003 с модулем управления ИМЛ (интерфейс магнитной ленты). Графический телевизионный монитор (ТВ) и графопостроитель (ГП) подключены через соответствующие модули ФВС (формирователь видеосигнала) и ИГП (интерфейс графопостроителя). Программы обслуживания заносятся в ППЗУ управляющей микроЭВМ.
Программное обеспечение комплекса написано на языке высокого уровня QUASIC/F , компилятор которого при минимальном объеме занимаемой оперативной памяти Ik Кбайт) обеспечивает непосредственную работу с модулями КАМАК, поддерживает арифметику с плавающей точкой процессора М2.
Программное обеспечение комплекса состоит из управляющей головной программы и ряда подпрограмм, вызываемых в диалоговом режиме командами головной программы.
Комплекс содержит следующие подпрограммы:
HP - вывод на экран дисплея справочной информации;
ID - ввод данных с ПЗС-линейки;
- SO -
WR - вывод данных на дисплей;
UR - вывод элементов, значения которых не меньше заданного уровня; PL - вывод данных на графопостроитель; NX - выбор рабочей зоны ПЗС-линейки;
NP - учет потерь из-за неэффективности переноса информационных зарядов в ПЗС-линейке;
ОТ - вычисление энергетической эффективности оптического элемента;
MB - масштабирование данных;
VD - вывод данных на экран ТВ-монитора;
ST - окончание программы, выход в среду QUASIC/F.
Эксперимент проводился следующим образом. На установке проводились М = 5 испытаний плоского фокусирующего элемента Ф при помещении ПЗС-линейки в сечения фокальной области, отстоящие на расстояниях z = -10; -5; 0; 5; '0 мм от фокуса вдоль оптической оси. Подбор линейного участка чувствительности фотоприемника осуществлялся поляроидом П. Для уменьшения погрешности измерения из-за неравномерности передачи заряда был использован участок ПЗС-линейки, состоящий из первых 256 элементов с номерами n = Nmin/ ^ах' Nmin = Nmax = ИзмеРенное распределение интенсивности в цифровом виде передавалось в оперативную память ЭВМ. Для подавления геометрического шума перед каждым измерением производилось запоминание уровня шума ПЗС-линейки при нулевой освещенности. 8 процессе предварительной обработки на ЭВМ эти шумы вычитались из rfoflHoro сигнала, а в память
ЭВМ записывались отсчеты I , п = N . , N ; ш = 1,М, распределения интенсив-
шп min шах
ности i(d/z) в точках
р = (n - V . 6, n - N~TTNmax (2)
сечений
2 = (ш - (M+D/2) ■ Дz, ш = TM СЗ)
фокальной области, где
Nc - координата п центра кольца; б — 15 мкм; Дг — 5 мм.
В ходе цифровой обработки полученных фокальных распределений интенсивности для каждого сечения в начале определялись характерные границы кольца N,, Na; Ns» Ne и центрального пятна N3, по некоторому уровню 6(6 = 0,1) спада интенсивности (рис. 2). Далее находилась координата п центра кольца
N + N, + N. + N. ...
n = —3_2-»-1 , (4)
с ц
оценивался радиус кольца
= N3 + N. - N, - N, _ (5)
0 4
ширина кольца
др = ii^.lJ^ljkjJLL . б С6)
(7)
и ширина центрального пятна £ = (Л„ - Л3) • 6.
Затем вычислялась оценка доли с светового потока, попадающего на площадь кол ь ца :
шах
Е I • |П - N I „ пт с
п=\т
Аналогично оценивалась доля энергии, попадающей в центральное пятно:
Е I • Iп - N1 ы ШП с
С9)
шах
n°N
I • In - NI ШП с
min
Нт1п
шах
N. N, N. N. min 13 "
Рис. 2. Определение границ коль
ца
Полученные оценки параметров выдавались в виде таблиц на принтер и дисплей,
а графики распределений интенсивности отображались на телевизионном мониторе и
регистрировались графопостроителем.
В табл. 1 приведены измеренные значения границ 1 = 1 ,б 8 ПРеДела*
N. = 0 и N = 255 для распределения интенсивности в фокальной плоскости. ш1п шах
Видно, что ширина кольца Др составляет ~2-3 элемента ПЗС-линейки, то есть -30-^5 мкм, что хорошо согласуется с теоретическим значением, оцениваемом по формуле (35) работы [1],
Др = 5,31 • X
па
(10)
Измеренные границы кольца
в сечениях (N . =0;
min '
Nmax= 255' 6 =
N, ! N ! 2 ! N3 1 • N 1 "и N5 1 1 N.
20 22 61» 70 111 113
На рис. 3 приведен зарегистрированный в эксперименте график распределения интенсивности в фокальной области. На том же рисунке изображен соответствующий теоретический график.
-Г ■ ^
м!
ОТ
А ▲
А
jL
0,5
0,5
▲ А А
теория эксперимент
Рис. 3. Распределение интенсивности в фокальной плоскости
Наблюдаемое в эксперименте существенное ("8 раз) увеличение интенсивности центрального пятна по сравнению с теоретической обусловлено падением дифракционной эффективности фокусатора из-за погрешностей технологии формирования фазового рельефа, а также рассеянием света на зерне эмульсии Фокусатора и неудовлетворительным качеством стеклянной подложки. При этом вследствие малой площади доля его светового потока составляет всего -10% (табл. 2). Интересный результат дает дальнейший анализ данных табл. 2. В фокальной плоскости (г«0) максимума достигает лишь световой поток е в кольце. Напротив, световой поток центрального пятна е0 достигает максимума в следующем сечении, отстоящем на 5 мм от плоскости г*0 вперед по ходу распространения света. Данный факт качественно согласуется с теоретическим предсказанием [1], согласно которому цент-
Измеренная энергетическая эффективность фокусатора в кольцо
1 г, мм j -1 0 V — ! "5 I ! о I ! 5 j Ю
с 0,911 0,951 0,960 0,870 0,927
eq 0,089 0,049 0,040 0,130 0,073
ральное пятно фокусируется за фокальной плоскостью в плоскости г=г0 (см. (11) в [1]) , где
,____3
20 = ✓ £20 + Г* - ^ = -¿а. «1,7 мкм. (11)
Расхождение значений г0 и Дг обусловлено дискретностью сечений фокальной области и погрешностью определения фокальной плоскости вследствие аберраций фокусируемого пучка когерентного излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голуб H.A., Казанский Н.Л., Сисакян И.Н., С о й -
ф е р В.А., Харитонов С.И. Дифракционный расчет оптического элемента, Фокусирующего в кольцо // Автометрия, 1987, W 6, с. 8-15.
2. Голуб М.А., Казанский Н.Л., Сисакян И.Н., С о й -ф е р В.А. Вычислительный эксперимент с элементами плоской оптики II Автометрия, 1988, N" 1, с. 70-82 .
3.Уваров Г.В. ФПЗС - контроллер в стандарте КАМАК II Фотоэлектрические и волоконно-оптические преобразователи для систем управления
и вычислительной техники. Куйбышев: КуАИ, 1986.
4. Подольский Л.И. Система QUASIC для программирования на мини-ЗВМ II Материалы по математическому обеспечению ЭВМ. Пущине: АН СССР, 197*.
