Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ оптических фильтров и способов регулирования направленного светопропускания 20
1.1 Физические основы фильтрации оптического излучения 20
1.2 Классификация, области применения и тенденции развития оптических фильтров 29
1.3 Виды стекла, способы обработки его поверхности и области применения 45
1.4 Способы регулирования направленного светопропускания в зависимости от угла падения лучей 52
Выводы, цель и задачи исследования 63
2 Теоретические основы способа регулирования направленного светопропускания и разработки оптических фильтров с поверхностными решетками 67
2.1 Основы способа регулирования направленного светопропускания 67
2.2 Оптический фильтр с поверхностными решетками 76
2.3 Исследование функции смещения преломленного луча 82
2.4 Метод графоаналитического расчета направленного светопропускания по функции смещения преломленного луча 87
2.5 Анализ зависимости разности смещений преломленных лучей от характеристического угла фильтра 93
2.6 Особенности расчета фильтров с криволинейными поверхностями 95
2.7 Алгоритм расчета геометрических параметров фильтра с заданной угловой характеристикой светопропускания 100
2.8 Оптимизация угловой селективной фильтрации солнечного излучения 105
Выводы 113
3 Графоаналитический расчет коэффициента направленного светопропускания плоскопараллельного фильтра 117
3.1 Основы расчета направленного светопропускания плоскопараллельного фильтра , 117
3.2 Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от ширин чередующихся полос 122
3.3 Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от характеристического угла фильтра 132
3.4 Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от шагов решеток 140
3.5 Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от кратности шагов и реверсивного падения лучей 151
3.6 Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от толщины и показателя преломления стекла фильтра 164
3.7 Анализ расчетных формул ширины светопропускания и смещений преломленных лучей при экстремальных углах
падения 171
Выводы 183
4 Экспериментальное исследование оптических фильтров с поверхностными решетками 190
4.1 Цель и методика экспериментального исследования, описание экспериментальной установки 190
4.2 Результаты экспериментов для фильтров с разными геометрическими параметрами 201 Выводы 222
5 Особенности применения способа регулирования направленного светопропускания в остекленных конструкциях и оптических устройствах и оценка результатов исследования 226
5.1 Применение способа регулирования светопропускания в архитектуре, строительстве и транспортных средствах 226
5.2 Применение способа регулирования светопропускания в светотехнике, оптических системах, очках и для получения специальных светоцветовых эффектов 244
5.3 Оценка результатов исследования
5.3.1 Оценка теоретического исследования способа регулирования направленного светопропускания 249
5.3.2 Оценка практической значимости для различных областей применения 253
5.3.3 Оценка экономической эффективности, эргономических, эстетических и экологических факторов 257
Выводы 264
Заключение 267
Список литературы
- Виды стекла, способы обработки его поверхности и области применения
- Метод графоаналитического расчета направленного светопропускания по функции смещения преломленного луча
- Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от ширин чередующихся полос
- Результаты экспериментов для фильтров с разными геометрическими параметрами
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Традиционные области применения оптических фильтров – аналоговая кино-, фото- и телевизионная техника, осветительные системы, колориметрия, астрономия и другие – в последние десятилетия расширились до интерферометрии, спектроскопии, конфокальной и мультифотонной микроскопии, устройств записи и защиты информации, цифровой техники, волоконно-оптических систем связи, фотолитографии, анализаторов структуры ДНК и геномов, калибровки инструментов, лазерных систем и др. Соответственно, расширяется и типология оптических фильтров.
Фильтрация солнечного излучения – одна из наиболее востребованных
практических областей применения оптических фильтров. При остеклении световых
проемов зданий и транспортных средств используются смарт-стекла с
солнцезащитными, теплопоглощающими, светорассеивающими, свето- и
теплоотражающими свойствами. Это позволяет более рационально использовать природные ресурсы, что было и остается актуальной задачей.
Применение термохромных, фотохромных, электрохромных и других смарт-стекол в «интеллектуальных» окнах позволяет в некоторых пределах управлять интенсивностью и спектральным составом проходящего излучения, однако не позволяет селективно регулировать их по углу падения лучей. Самопроизвольное изменение светопропускания из-за угловой зависимости коэффициентов отражения и поглощения не всегда является оптимальным. Поэтому для регулирования светопропускания с адаптацией к траектории движения солнца используются дополнительные устройства перераспределения световых потоков (например, жалюзи). При очевидных достоинствах, подобные устройства не лишены недостатков, включая необходимость ручного или автоматического управления и связанные с этим сложность и дороговизну, невозможность обеспечения оптимального углового распределения светопропускания при любых азимутах окна, ограниченность регулирования по площади окна, сложность применения в криволинейных и наклонных остекленных конструкциях.
Для решения проблемы можно использовать фильтры, пропускающие только требуемую и предварительно рассчитанную часть падающего излучения в заданных диапазонах углов падения лучей. Однако таких фильтров нет. В этой связи основная часть настоящей работы посвящена разработке нового типа оптических фильтров с угловым селективным светопропусканием, адаптированным к движению источника света. Угловая селективность обеспечивается подбором взаимного расположения двух тонкослойных поверхностных решеток с чередующимися полосами – при изменении угла падения меняется доля излучения, проходящего через обе решетки
фильтра. На каждой решетке направленно пропускающие полосы чередуются с поглощающими, отражающими или рассеивающими полосами. Обеспечение углового селективного регулирования светопропускания при простоте конструкторского решения фильтра повышает актуальность разработки.
Известны исследования в области фильтрации оптического излучения в зависимости от угла падения с целью усиления направленного пропускания световых волн определенной частоты через субволновые отверстия различной формы в наноструктурах (J. Zhang, G.P. Wang, Opt. Express, 2009; X. Zhang, C.-F. Li, Chinese Physics Letters, 2009; B. Wang, G.P. Wang, Applied Physics Letters, 2006). Поверхностные и объемные неоднородности в фильтрах также являются микро- и наноразмерными (J. Hoose, E. Popov, Appl. Opt., 2008; T. Tsujioka, N. Matsui, Opt. Lett., 2011; A. Lehmuskero, I. Vartiainen, T. Saastamoinen, T. Alasaarela, M. Kuittinen, Opt. Express, 2010; W. Liang, A.A. Savchenkov, A.B. Matsko, V.S. Ilchenko, D. Seidel, L. Ma-leki, Opt. Lett., 2010; К.Р. Симовский, Оптика и спектроскопия, 2009 и др.).
Параметры таких фильтров рассчитываются методами физической оптики (M.
Mazilu, A. Miller, V.T. Donchev, Appl. Opt., 2001; Б. Лапшин, В. Петраков,
Компоненты и технологии, 2006; O.V. Belai, E.V. Podivilov, O.Y. Schwarz, D.A.
Shapiro, L.L. Frumin, J. Opt. Soc. Am. B, 2006; J. Bittebierre, Appl. Opt., 2008; Н.Л.
Казанский, П.Г. Серафимович, С.Б. Попов, С.Н. Хонина, Компьютерная оптика,
2010). В предлагаемом фильтре ширины чередующихся полос решеток имеют
миллиметровые и субмиллиметровые размеры. Поэтому его оптические
характеристики рассчитываются в пределах классической геометрической оптики.
При оптическом моделировании различных явлений (Б.Х. Барладян, А.Г. Воло-бой, К.А. Востряков, В.А. Галактионов, JI.3. Шапиро, Программирование, 2008) и в компьютерной графике (A.S. Glassner, Morgan Kaufmann, 1989) используется метод трассировки лучей – исследования оптических систем путм отслеживания взаимодействия отдельных лучей с поверхностями. Многие сложные физические явления моделируются с помощью муарового эффекта, который используется в электронной микроскопии, в рентгеновской интерферометрии (Р.Н. Кузьмин, Соросовский образовательный журнал, 1997) и во многих других областях. Теория муарового эффекта и способы обработки картин муаровых полос и проведения измерений изложены А. Дюрелли (Мир, 1974). А.М. Поповым усовершенствованы методы муаровых полос для исследования деформированного состояния элементов конструкций (дис. … докт. техн. наук, 2000).
Обоснованием актуальности диссертационной работы служат реальные перспективы практического использования полученных в ходе исследований результатов не только в архитектурных объектах, но и в других областях, где требуется угловое регулирование при движении источника света и остекленного объекта или оптической системы друг относительно друга. В целом, в результате исследования необходимо получить новые научно обоснованные технические решения, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие страны в области прикладной оптики.
Цель исследования: техническое обоснование способа углового селективного регулирования направленного светопропускания и разработка нового типа оптических фильтров с угловыми характеристиками, адаптированными к относительному движению источника света.
Объект исследования: оптические фильтры и способы регулирования светопропускания.
Предмет исследования: обеспечение углового селективного регулирования направленного светопропускания без применения внешних механических устройств перераспределения светового потока.
Гипотеза: возможность углового селективного регулирования светопропускания остекленной конструкции или оптической системы с помощью двух поверхностных решеток, состоящих из пропускающих полос, чередующихся с поглощающими, отражающими или рассеивающими полосами.
Задачи исследования:
1. Техническое обоснование способа селективного регулирования
направленного светопропускания в зависимости от угла падения лучей без
применения дополнительных устройств перераспределения светового потока.
2. Разработка плоскопараллельного оптического фильтра с адаптированными
угловыми характеристиками светопропускания.
3. Разработка метода графоаналитического расчета коэффициента
направленного светопропускания на основе функции смещения преломленного луча.
4. Исследование функции смещения преломленного луча.
5. Выявление особенностей расчета фильтров с криволинейными
поверхностями.
-
Разработка алгоритма расчета геометрических параметров фильтра с заданной угловой характеристикой светопропускания.
-
Оптимизация угловой селективной фильтрации солнечного излучения.
-
Графоаналитический расчет коэффициента направленного светопропускания при разных геометрических и оптических параметрах фильтров и сравнительный анализ.
-
Экспериментальное подтверждение результатов графоаналитического расчета фильтров.
10. Анализ практического применения предложенного способа регулирования
светопропускания в остекленных конструкциях и оптических устройствах и оценка
результатов исследования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались астрономические вычисления траектории движения солнца, методы проектирования оптических систем, оптимизации и автоматизации процессов регулирования, статистические методы обработки результатов измерений. Результаты исследования получены путем теоретического анализа и численного моделирования, подтверждены физическими экспериментами.
Научная новизна
1. Предложен способ регулирования направленного светопропускания оптиче
ских элементов и систем, позволяющий управлять интенсивностью и направлением
проходящих световых потоков в зависимости от угла падения лучей.
2. Разработан новый тип оптических фильтров с тонкослойными
поверхностными решетками для регулирования интенсивности проходящего
излучения, фильтрации его частотного или пространственного спектра. Геометриче
ские и оптические параметры решеток могут быть неизменными или распределенны
ми дискретно или градиентно по входной и выходной поверхностям фильтра.
3. Предложен графоаналитический метод расчета теоретического коэффициента
светопропускания решеточного фильтра с использованием трассировки лучей. Для
повышения эффективности расчетов предложено использовать функцию смещения
преломленного луча, позволяющую определять угловые селективные характеристики
светопропускания в диапазоне углов падения 0-^90. Установлены закономерности
влияния оптических и геометрических параметров решеток фильтра на его угловые
характеристики.
4. Предложен алгоритм расчета геометрических параметров фильтра по
предварительно заданной угловой селективной характеристике светопропускания.
Показана возможность адаптации характеристик фильтра к траектории движения
источника света относительно оптического элемента.
5. Разработан метод оптимизации угловой селективной фильтрации солнечного
излучения с учетом сложной (суточной и сезонной) траектории движения солнца и с
применением трассировки лучей через оконную конструкцию. Метод позволяет
рассчитать оптимальные углы наклона решеток оптического фильтра,
предназначенного для конкретной оконной конструкции с известным азимутом
ориентации по сторонам света, при заданных географических координатах здания,
для времени года с наиболее востребованными солнцезащитными мерами.
Оригинальность и теоретическая значимость результатов проведенных исследований подтверждены публикациями в ведущих зарубежных и отечественных журналах физико-технического профиля. Новизна результатов подтверждена патентом и авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая значимость полученных результатов:
- разработанный способ углового селективного регулирования направленного
светопропускания (Патент 2509324 РФ «Способ регулирования направленного
светопропускания») является основой создания оптических фильтров нового типа,
предназначенных для ослабления интенсивности падающего излучения, фильтрации
его частотного или пространственного спектра, изменения направления проходящих
лучей в зависимости от угла падения;
- графоаналитический метод определения коэффициента светопропускания
решеточного фильтра и составленный на его основе алгоритм расчета позволяют
определить оптимальные геометрические параметры фильтра по предварительно
заданной угловой характеристике светопропускания, адаптированной к траектории движения источника света;
- решеточный фильтр может быть использован при остеклении архитектурных
объектов, требующих угловой селективной фильтрации солнечного излучения с
учетом сложной траектории движения солнца относительно оконной конструкции с
известным азимутом ориентации по сторонам света, при заданных географических
координатах здания, с адаптацией характеристик фильтра к времени года с наиболее
востребованными солнцезащитными мерами, с возможностью распределения харак
теристик светопропускания окна по его площади, без использования дополнительных
устройств перераспределения световых потоков;
- разработанный способ регулирования светопропускания может быть
использован при остеклении транспортных средств, в оптических системах, в
светотехнике, при проведении научных исследований, в лечебных и солнцезащитных
очках, для получения специальных светоцветовых эффектов и защиты товаров от
подделок, а также в других областях и в тех случаях, когда источник света и/или оп
тический элемент движутся друг относительно друга и угол падения световых лучей
изменяется во времени.
Положения, выносимые на защиту:
-
Угловое распределение коэффициента направленного светопропускания оптического фильтра с двумя пространственно разнесенными поверхностными решетками, области пропускания которых чередуются с поглощающими, отражающими или рассеивающими полосами, зависит от ширин полос обеих решеток и характеристического угла фильтра, показывающего взаимное расположение решеток.
-
Угловая характеристика светопропускания фильтра при заданных ширинах полос и характеристическом угле рассчитывается путем анализа трассировки лучей через границы между чередующимися полосами решеток для выделения угловых диапазонов с возрастающим, убывающим, постоянным максимальным или минимальным светопропусканием и анализа хода одного трассирующего луча внутри каждого диапазона, что существенно снижает общее количество анализируемых лучей.
-
При углах падения от 0 до 60 участки возрастания и убывания угловых характеристик светопропускания фильтров близки к линейной зависимости и симметричны относительно характеристических углов. Угловая зависимость светопропускания ослабляется с увеличением шагов решеток, угла падения и показателя преломления материала подложки фильтра. Оптимальное угловое регулирование светопропускания обеспечивается при значениях шагов решеток, сравнимых с толщиной подложки.
-
Обратная задача создания фильтра с требуемой угловой характеристикой светопропускания, адаптированной к траектории движения источника света при изменении углов падения лучей в плоскости, перпендикулярной к входной решетке фильтра, решается путем аппроксимации заданной кривой зависимости коэффициента светопропускания от угла падения кусочно-линейным методом для определения ширин
полос решеток и характеристического угла, расчета теоретической угловой характеристики светопропускания и ее коррекции с учетом отражения и поглощения.
5. Оптический фильтр с поверхностными решетками, ориентированными по отношению к оконной конструкции под оптимальным углом, рассчитанным с учетом географических координат здания, траектории движения Солнца, сезонного и суточного распределения интенсивности солнечного излучения и азимута ориентации окна по сторонам света, обеспечивает саморегулирование светопропускания окна, адаптированное к положению Солнца.
Достоверность защищаемых научных положений подтверждена расчетными
данными, полученными при численном моделировании, и результатами
экспериментальных исследований.
Апробация и внедрение результатов исследования. Базой для данного исследования явились участие автора в ранее проведенных работах в области метрологии лазерного излучения и радиофизики, а также собственные исследования в области оптимизации и автоматизации тепломассообменных технологических процессов. Результаты этих работ докладывались и обсуждались в многочисленных конференциях, в т. ч. Первой научно-технической конференции РУО АИН РФ «Наука и инженерное творчество – 21 веку» (Екатеринбург, 1995), Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге ХХI века» (Оренбург, 1998), IV Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Москва, 2005), XII Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2008). Разработанные тепловые приемники излучения применялись для измерения энергетических параметров лазерного излучения в НПО «ВНИИФТРИ» (Менделеево, Московская обл.). Разработанный метод оптимизации процесса сушки использовался на Оренбургском кирпичном заводе АО «Оренбургзаводстрой».
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались в следующих международных конференциях и симпозиумах: Международной научно-практической конференции «Дизайн в пространстве национальной культуры: инновации и традиции» (Оренбург, 2011), Международной научной конференции МК-40-111 «Проблемы современного строительства» (Пенза, 2011), VII и VIII Международных симпозиумах «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Москва, 2012 и 2013),VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2012), Interdisciplinary Surface Science Conference (ISSC-19) (Nottingham, UK, 2013), VIII Iberoamerican Optics Meeting and XI Latinamerican Meeting on Optics, Lasers and Applications (RIAO/OPTILAS-2013) (Porto, Portugal, 2013), Международном конгрессе «Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения» (Казань, 2013), Шестой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2014), Международной научно-практической конференции «Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации
научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической
промышленности» (Казань, 2014), Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием) «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2015), SPIE Optics + Photonics 2015 (San Diego, USA, 2015), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2015» (Казань, 2015), 4th UNISA-BRICS International Symposium on «Energy, Materials & Innovation» (Johannesburg, South African Republic, 2016). Результаты работы опубликованы в материалах двух зарубежных заочных конференций: 3rd International Conference on Science and Technology ISPC-2013 (London, UK, 2013) и 3rd International Academic Conference «Applied and Fundamental Studies» (St. Louis, USA, 2013).
Внедрение разработанных оптических фильтров с поверхностными решетками предполагается в первую очередь в архитектурных объектах для оптимизации угловой селективной фильтрации солнечного излучения. Результаты исследования приняты к внедрению в производственной деятельности 141 организации, входящей в состав Саморегулируемой организации некоммерческого партнрства «Альянс проектировщиков Оренбуржья». Результаты также используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» в виде лекционного материала по дисциплинам «Архитектурная физика», «Основы производственного мастерства» и «Физика среды и ограждающих конструкций».
Личный вклад автора. Диссертация является обобщением исследований оптических фильтров и способов регулирования светопропускания, проведенных автором в Оренбургском государственном университете. Из 41 работы по теме диссертации 34 опубликованы без соавторов, в т. ч. две заявки на изобретения и патент.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК (в т. ч. в четырех англоязычных журналах); две статьи в зарубежных журналах; 15 статей в сборниках трудов международных конференций, симпозиумов и конгрессов (в т. ч. пяти зарубежных). Опубликована международная заявка на изобретение по системе РСТ, на ее основе получен патент Российской Федерации и продолжается экспертиза заявки в USPTO (Патентное ведомство США). Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в монографии. Количество основных публикаций результатов предыдущих исследований в области радиофизики и метрологии лазерного излучения составляет пять работ, в т. ч. два авторских свидетельства на изобретения; в области автоматизации и оптимизации тепломассообменных технологических процессов – 10 работ. В общей сложности опубликовано 56 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и 9 приложений. Она изложена на 313 страницах текста, содержит 60 иллюстраций и 4 таблицы. Список литературы включает 315 наименований, в т. ч. 159 – на английском языке.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту доктору физ.-мат. наук, профессору Летуте Сергею Николаевичу за помощь на всех этапах выполнения диссертации, а также доктору техн. наук, профессору Левину Геннадию Генриховичу, доктору техн. наук, профессору Вишнякову Геннадию Николаевичу, доктору техн. наук Левину Александру Давидовичу, доктору техн. наук Сахарову Константину Юрьевичу и Анисимовой Ларисе Николаевне за ценные замечания и рекомендации.
Виды стекла, способы обработки его поверхности и области применения
Также важными для исследования являются следующие следствия принципа Ферма: прямолинейность распространения света в однородной среде, принцип обратимости распространения света, параллельность падающего на плоскопараллельную прозрачную пластину луча и выходящего из нее луча, возможность создания линз и зеркал для фокусировки света [4]. Р. Фейнман приводит пример определения фокусного расстояния для сферической поверхности, понятия мнимого и действительного изображений для различных типов линз и зеркал, формулу увеличения для линзы, свойства главных плоскостей оптической системы, эффекты сферической и хроматической аберрации, понятие разрешающей способности оптической системы, причины возникновения показателя преломления и понятие дисперсии, причины поглощения и рассеяния света. Различные механизмы рассеяния света подробно описаны в [11].
Г. С. Ландсберг выделяет также закон независимости световых пучков и связанный с ним принцип суперпозиции [2]. Общий для всех разделов оптики закон о независимом распространении лучей действует в случаях, когда интенсивность светового пучка, распространяющегося в данной среде, достаточно мала и можно пренебречь нелинейными эффектами. Согласно этому закону данный луч при встрече с другими лучами продолжает распространяться в том же направлении, не изменив амплитуды, частоты, фазы и плоскости поляризации электрического вектора световой волны. Принцип суперпозиции является важным следствием уравнений электромагнетизма Максвелла применительно к геометрической оптике.
Важнейшей задачей прикладной оптики является устранение аберраций различного вида в оптических системах. Задачами устранения аберраций и совершенствования оптических приборов занимались Декарт [12], Ньютон [13], Эйлер [14], Аббе и многие другие ученые [15]. В [16] приведен математический аппарат расчетов для процесса конструирования «низкоаберрационных» оптических систем. В последнее время идут исследования по устранению аберраций третьего и пятого порядков без применения асферических оптических элементов [17]. В адаптивной оптике [18] для устранения аберраций и других нарушений применяются системы автоматики.
Современный этап развития оптики связан с появлением и распространением лазеров [19–21]. Основные законы геометрической оптики в настоящее время выводятся из уравнения эйконала [22–24] – функции, определяющей оптическую длину пути светового луча между двумя точками, принадлежащими объекту и его изображению. Применение уравнения эйконала при расчетах оптических систем дает возможность путем дифференцирования по определенным параметрам получить выражения для основных видов аберраций. Важным разделом геометрической оптики является матричная оптика – математический аппарат для расчета оптических систем различной сложности [25]. Матричный подход упрощает процесс конструирования оптимальной оптической схемы путм быстрого выбора возможных вариантов изменения направления световых лучей.
Современная геометрическая оптика [26] изучает распространение света: - в параксиальном приближении; - вне параксиального приближения – происходящие явления характеризуются каустической поверхностью (каустикой), огибающей семейства световых лучей, испущенных светящейся точкой и прошедших через оптическую систему с преломлением [2]; - в неоднородных и неизотропных средах (градиентная оптика с переменным значением показателя преломления среды в зависимости от координат, позволяющая создавать линзы любой формы, в т. ч. и плоской, – например, пластина из материала с переменным показателем преломления действует как обычная собирающая линза) [27–28]; - в волноводах и оптоволокне [29–31]; - в гравитационных полях массивных астрофизических объектов (гравитационные линзы, в качестве которых выступают массивные тела (планета, звезда) или система тел (галактика), искривляющие своим гравитационным полем направление распространения излучения, подобно тому, как искривляет световой луч обычная линза) [32–34]. Теория оптических приборов и измерений, современные методы расчета и конструирования линз и оптических приборов, проектирование и расчет сложных систем и систем адаптивной оптики широко освещены в литературе [35-46].
На основе геометрической оптики рассмотрим явления, наиболее тесно связанные с исследованием направленного светопропускания оптического элемента в зависимости от угла падения световых лучей на его входную поверхность. При фильтрации оптического излучения при любом угле падения предполагается частичное пропускание падающего светового потока, остальная часть отражается и поглощается. Известно [47, 48], что на основе закона сохранения энергии падающий световой поток Ф, лм, разделяется на три составляющие: отраженный Фр, проходящий Фт и поглощенный Фа световые потоки, лм (рисунок 1.1): ф=фр+фт+фа. (1.3) Соответственно, коэффициенты отражения р, пропускания т и поглощения а света определенной длины волны связаны соотношением [47-49]: р+т+ос=1. (1.4) Коэффициенты направленного отражения и пропускания света экспериментально определяются в соответствии со стандартами [50-52]. По формулам Френеля [53] коэффициенты отражения для лучей, поляризованных перпендикулярно и параллельно плоскости падения, составляют, соответственно:
Метод графоаналитического расчета направленного светопропускания по функции смещения преломленного луча
Подробная терминология характеристик стекла и анализ оптических и тепловых характеристик остекления приведены в материалах сайтов [179, 184–186]. В зависимости от назначения остекленной конструкции требуются разные соотношения между тремя разделенными составляющими падающего светового потока (формула (1.3)). Эти соотношения зависят от видов применяемого стекла, среди которых различают: - обычное (неполированное) стекло (drown glass), производится достаточно ранним способом – методом вертикальной «вытяжки» стеклянной массы между двумя валками; - полированное флоат-стекло (float glass) – высококачественное стекло, производится наиболее современным способом – стекло из печи плавления поступает в виде ленты, охлаждается и обрабатывается в ванной на расплавленном олове в защитной атмосфере при управляемой температуре; - солнцезащитное стекло (solar control glass) – окрашенное в массе тонированное цветное стекло (tinted glass), хорошо пропускающее видимое излучение и поглощающее часть инфракрасного, или стекло с рефлективным покрытием (reflective glass), прозрачным для видимых лучей и отражающим часть инфракрасных лучей; - селективное низкоэмиссионное теплосберегающее e-стекло (low e-glass), имеющее покрытие с низкой излучательной способностью и хорошо пропускающее видимое излучение и отражающее длинноволновое: k-стекло с твердым покрытием (hard coated glass), наносимым пиролитиче-ским методом и стойким к климатическим воздействиям и i-стекло с мягким покрытием (soft coated glass), наносимым методом плазменного напыления в вакууме и нестойким к климатическим воздействиям [187]; - «мягкое» самоочищающееся стекло (представлено в 2002 году английской компанией Pilkington) с тонким прозрачным покрытием из оксида титана, нанесенным методом магнетронного напыления, – под воздействием ультрафиолетового излучения на пленке происходит химическая реакция, разлагающая органические соединения на поверхности стекла, далее продукты реакции смываются во время дождя; - узорчатое (рифленое) стекло (figured glass) – полупрозрачное стекло с рельефным узором на одной или обеих поверхностях для рассеивания проходящего света (бывает как бесцветным, так и цветным); - армированное стекло (wired glass) с металлической ячеистой сеткой внутри листа для повышения ударопрочности, безопасности и огнестойкости (одновременно может быть узорчатым и/или цветным; - ламинированное многослойное стекло (laminated glass), состоящее из двух или более слоев, «склеенных» по всей поверхности полимерной пленкой или ламинирующей жидкостью, и обеспечивающее повышение ударопрочности, огнестойкости, шумоизоляции, травмобезопасности (safety glass) и защиты от ультрафиолетового излучения (имеет особенно большие преимущества при производстве гнутых стекол); - закаленное стекло (toughened glass), прошедшее химическую или термическую обработку (быстрое охлаждение после разогрева выше тем пературы размягчения), применяется как безопасное, ударопрочное, огнестойкое (flameproof glass), термостойкое (heat-resisting glass), нейтральное с высокой химической стойкостью (neutral glass), эмалиро ванное (enamel toughened glass) – покрытое эмалевой краской стекло; - покрытое пленками различного назначения стекло, позволяющее за счет специальных свойств пленок повысить безопасность (ударопрочность и безосколочность), теплосберегающие и солнцезащитные характеристики с возможностью регулирования распределения требуемой интенсивности проходящего солнечного излучения по ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному диапазонам, улучшить защиту от микроволнового излуче ния в радиочастотном диапазоне (металлизированные пленки), от заглядывания, преобразовать внешний вид помещений, создать эффект од носторонней видимости, сократить солнечные блики, препятствовать распространению огня, повысить звукоизоляцию, сократить эксплуатационные расходы на отопление и кондиционирование (важнейшим преимуществом пленочных технологий является возможность изменения перечисленных свойств уже существующих светопрозрачных конструкций без их демонтажа).
В странах СНГ на листовое стекло марок М1-М5, предназначенное для остекления светопрозрачных конструкций и средств транспорта, действует ГОСТ 111-90 (СТ СЭВ 5447-85) [188]. Кроме того, выпускается также стекло марок М6 (неполированное) и М7 (витринное) [189]. Анализ стандартов на стекло проведен в [190].
Характеристики свето- и теплопропускания стекла в других областях его применения - в производстве оптических и светотехнических приборов, волоконно-оптических систем связи, очков и т. д. - принципиально не отличаются от вышеперечисленных.
Исследование зависимости коэффициента направленного светопропускания от ширин чередующихся полос
На обеих поверхностях фильтра применяются полосы, направленно (не рассеянно) пропускающие падающее излучение. При необходимости изменения спектра проходящего излучения эти полосы окрашиваются. С этой же целью возможно применение в качестве подложки окрашенного стекла, как в обычных абсорбционных частотных фильтрах. В обоих случаях фильтр будет направленно пропускать узкую полосу частот падающего широкополосного оптического излучения, поглощая остальные частоты. В зависимости от типа фильтра и его назначения используются также поглощающие, отражающие или рассеивающие полосы, чередующиеся с направленно пропускающими полосами.
Фильтр с чередующимися пропускающими и поглощающими полосами, приведенный на рисунке 2.6, является нейтральным. В отличие от обычных нейтральных фильтров, равномерно ослабляющих интенсивность падающего излучения независимо от углов падения, достигается угловая селективность фильтрации. Вместо поглощающих полос на входной решетке нейтрального фильтра возможно применение отражающих полос.
Для создания дихроичных частотных фильтров с угловой селективностью светопропускания на входной решетке вместо направленно пропускающих полос необходимо применять частично отражающие полосы. Падающее излучение разделяется на две части – отраженную, содержащую «ненужные» частоты, и проходящую, с полосой пропускания необходимых частот. Остальные чередующиеся полосы могут быть поглощающими или полностью отражающими.
При чередовании на входной и/или выходной решетке фильтра направленно пропускающих и рассеивающих полос учитывается рассеянное излучение, добавляемое к проходящему направленному излучению. Такая необходимость может возникнуть, например, в оконных конструкциях для исключения появления в помещении бликов и излишне ярко освещенных поверхностей.
На рисунке 2.7 (а и б) для объяснения принципа действия фильтра приведены схемы светопропускания при двух разных углах падения. Падающий коллимированный пучок света в обоих случаях имеет одинаковую интенсивность, что указано схематично равными расстояниями между падающими лучами. Световой поток, прошедший через входную решетку фильтра, снижается при увеличении угла падения (расстояния между пре 80 ломленными лучами на рисунке 2.7 увеличены при угле падения 02 по сравнению с 1). Однако отношение прошедшего светового потока к падающему для всех углов одинаково и равно отношению площади пропускающих полос к общей площади входной поверхности фильтра.
Сдвиг выходной решетки относительно входной обеспечивает селективное по диапазонам углов падения светопропускание. Коффициент направленного светопропускания определяется отношением прошедшего через весь фильтр светового потока к падающему. Это отношение равно отношению зависящей от угла падения части площади пропускающих полос на выходной поверхности, через которую проходят преломленные лучи, к общей площади входной поверхности (формула (2.1)). Из рисунка 2.7 видно, что несмотря на меньший световой поток, дошедший до выходной поверхности при угле падения 02, тем не менее, в целом через фильтр проходит больший световой поток, чем при 1. Т. е. для каждого угла падения в диапазоне от 0 до 90 существует определенное значение коэффициента светопропускания.
Значения коэффициента светопропускания полностью зависят от геометрических и оптических параметров чередующихся полос обеих решеток фильтра и их сдвига друг относительно друга (характеристического угла фильтра). При известной траектории движения источника света относительно фильтра, т. е. при заданном законе изменения углов падения лучей, параметры фильтра можно рассчитать заранее с целью получения требуемых угловых селективных характеристик светопропускания. Таким образом, фильтрацию излучения можно пред-адаптировать к движению источника света.
Рассмотренный в подразделе 2.1 способ регулирования светопропус-кания, кроме частотных фильтров, позволяет создать пространственный оптический фильтр нового типа. На рисунке 2.8 изображена схема пространственного фильтра с поверхностными решетками. Размеры и расположение кольцевых поглощающих полос на поверхностях выпукло-вогнутой линзы подобраны таким образом, чтобы максимально пропускать падающие лучи, направленные соосно оптической оси линзы (показано сплошными линиями). При другом угле падения часть излучения поглощается не только на входной поверхности, но и дополнительно на выходной поверхности (показано штриховыми линиями). Кроме этого, при других углах падения из-за изменения направлений преломленных лучей вследствие кривизны поверхностей появится геометрический эффект разницы шагов [62], приводящий к возникновению муаровых полос. Если кольцевые поглощающие и пропускающие полосы на выходной поверхности поменять местами, падающие соосно оптической оси лучи будут полностью блокироваться.
Таким образом, все виды существующих оптических фильтров, вклю чая абсорбционные и дихроичные частотные, нейтральные и пространственные, за счет использования поверхностных решеток полу чают дополнительную функцию углового селективного регулирования направленного светопропускания.
Результаты экспериментов для фильтров с разными геометрическими параметрами
Расчет зависимости направленного светопропускания плоскопараллельного фильтра от угла падения лучей проводится графоаналитическим методом, описанным в подразделе 2.4. Коэффициент направленного светопропускания рассчитывается в диапазоне углов падения от 0 до 90. Угол падения пучка параллельных лучей изменяется только в вертикальной плоскости, проекции лучей на горизонтальную плоскость при всех углах падения перпендикулярны входной поверхности плоскопараллельного фильтра.
На рисунке 3.1 приведена расчетная схема (масштаб 10:1) решеточного фильтра со следующими оптическими и геометрическими параметрами: - показатель преломления стекла подложки п=1,5 (среднее значение для большинства стекол [49]); - толщина подложки s=4 мм; - характеристический угол 0с=ЗО (падающий под этим углом центральный луч пропускающей полосы входной решетки после преломления проходит через центр поглощающей полосы выходной решетки); - ширины пропускающих и поглощающих полос соответственно: ґі=3,0 мм и t2=l,0 мм на входной решетке, t3=2,5 мм и t4=l,5 мм на выход ной решетке; - шаги полос входной и выходной решеток: И2=4 мм и t3+t4=4 мм; - кратность шагов: k=(h+t2)/( h+t4)=\.
На рисунке 3.1 указаны преломленные лучи для углов падения от 0 до 90 через каждые 10 и для угла 45. Эти лучи показывают верхнюю и нижнюю границы направленного светопропускания через входную решетку фильтра в пределах одного шага решетки. На поверхностях подложки фильтра тонкими линиями изображены разрезы направленно пропускающих полос, толстыми – поглощающих полос. Чередующиеся полосы обеих решеток фильтра параллельны (на рисунке разрез проведен перпендикулярно к этим полосам).
Из рисунка 3.1 видно, что в диапазоне углов падения от 0 примерно до 14 (до экстремального угла падения, когда нижняя граница светопро-пускания проходит через нижний край поглощающей полосы выходной решетки) ширина светопропускания уменьшается. При анализе рисунка получено, что расчетная формула А=0,5ґі–0,5ґ4+/с–/ соответствует формуле (2.10). Смещение 4 преломленного луча на выходной поверхности относительно входной для характеристического угла 30 рассчитывается по формуле (2.3). Точное значение экстремального угла 14,22 получено из формулы (2.12) путем подстановки значения смещения преломленного луча, найденного из соотношения /=-0,5 +0,5 +4, соответствующего формуле (2.11).
При дальнейшем увеличении угла падения от 14,22 до следующего экстремального угла примерно при 46, когда смещение преломленного луча становится равным /=0,5 –0,5 +4 (формула (2.14)), ширина светопропускания не изменяется и равна h=h–t4 (формула (2.13)). При достижении экстремального угла падения 45,55 верхняя граница направленного светопропускания проходит через верхний край поглощающей полосы выходной решетки. Точное значение 45,55 определено из формулы (2.12) при подстановке формулы (2.14). В диапазоне от 14,22 до 45,55 светопропускание не зависит от угла падения, т. е. угловая характеристика на этом участке будет горизонтальной.
При превышении экстремального угла падения 45,55 начинается рост ширины светопропускания по формуле h=0,5h–0,5t4-lс+l (формула (2.15)). Рост по этой формуле продолжается примерно до 68, когда нижняя граница светопропускания проходит через верхний край поглощающей полосы выходной поверхности. Смещение преломленного луча при этом равно l=-0,5h+t3+0,5t4+lс (формула (2.16)). При подстановке этого значения смещения в формулу (2.12) определено точное значение 68,53 экстремального угла падения.
Далее, из рисунка 3.1 следует, что в диапазоне углов падения от 68,53 до 90 ширина светопропускания не изменяется и равна h=t3, что соответствует формуле (2.17). Таким образом, для фильтра с принятыми оптическими и геометрическими параметрами выделены четыре угловых диапазона с одинаковым характером изменения ширины светопропускания, разделенные экстремальными углами падения. Коэффициенты направленного светопропускания рассчитаны по формуле (2.9) с подстановкой значений ширины светопропускания, полученных по расчетным формулам (2.10), (2.13), (2.15) и (2.17) для каждого из четырех диапазонов регулирования. При расчете коэффициента светопропускания для углов падения от 0 до 90 через каждые 0,5 использовано приложение Microsoft Excel 2010. Листинг расчетной программы приведен в Приложении 3. Результаты расчетов сведены в таблицу Приложения 4.
Исходные геометрические параметры для расчета фильтра указаны в таблице 3 (фильтр №1). Там же приведены исходные данные для расчета еще 19 фильтров, параметры которых подобраны для исследования широких возможностей фильтрации оптического излучения с помощью поверхностных решеток с чередующимися полосами.
В последующих пяти подразделах проводится сравнительное исследование угловых характеристик рассмотренного фильтра №1 и 19 фильтров (таблица 3, фильтры №№2-20), сгруппированных по схожим признакам в пять групп. Угловая зависимость коэффициента направленного светопропускания для всех фильтров рассчитывается графоаналитическим методом аналогично фильтру №1 при тех же дополнительных условиях.
Основы расчета направленного светопропускания плоскопараллельного фильтра опубликованы в журналах [235, 259, 260, 266], в заявках на изобретения и патенте [232-234] и в материалах международных конференций [237, 261-263, 272].