Введение к работе
Диссертация посвящена разработке методов и средств расчета оптических систем, включающих дифракционные и градиентные элементы, а также анализу этих элементов и систем на их основе.
Актуальность темы.
Создание и развитие новых прогрессивных технологий в различных областях науки и техники и прежде всего технологий, основанных на использовании лазерного излучения, значительно расширило поле применения оптики, усложнило решаемые ею задачи. Это, в свою очередь, привело к существенному повышению требований, предъявляемых к оптическим системам, в частности, к необходимости все более тесного сочетания высоких, часто физически предельных, оптических характеристик с не менее высокими их эксплуатационными характеристиками. Очень важным является и более полное освоение всех областей оптического спектра: от самых коротковолновых, включая у - и рентгеновское излучение, до ближнего и дальнего инфракрасного диапазона.
Все перечисленное потребовало, наряду с непрерывным совершенствованием оптических систем, выполненных на традиционной основе, расширения элементной базы. Работы в этой области ведутся как в нашей стране, так и за рубежом, и сегодня одними из наиболее перспективных представляются направления, предполагающие использование дифракционных и градиентных элементов. Первые из них осуществляют преобразование волнового фронта в результате дифракции света на микроструктуре элемента, а вторые - при распространении световой волны в неоднородной среде. Выбор этих элементов обусловлен специфичностью их свойств и, прежде всего, широкими возможностями коррекции аберраций, возможностью исполнения этих элементов в интегральном варианте или с плоскими поверхностями, а также широкими функциональными возможностями.
Совершенно ясно, однако, что серьезные практические успехи в использовании новой элементной базы невозможны без решения широкого круга проблем, связанных с технологией изготовления элементов, теорией и расчетом как самих элементов, так и систем на их основе. Причем теория и расчет, помимо своих основных функций, должны оказывать существенное прогрессивное влияние на развитие технологий изготовления элементов путем демонстрации потенциальных возможностей новых элементов и оптических систем, выполненных на их основе, и выработке іребовании к характеристикам элементов, при выполнении которых предсказанные потенциальные возможности могут быть реализованы на практике.
Изложенное выше и определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы является разработка универсальных методов расчета оптических систем, включающих дифракционные и градиентные элементы, анализ потенциальных возможностей таких систем и создание программных средств их оптимизации.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
разработать методы предварительного расчета (включающего параксиальный расчет, а также расчет первичного хроматизма и монохроматических аберраций третьего порядка) оптических систем, выполненных на основе радиально-градиентных и дифракционных элементов;
разработать методы расчета аберраций высших порядков оптических систем, включающих радиально-градиентные и дифракционные линзы, которые бы послужили теоретической основой последовательной оптимизации профилей показателей преломления градиентных линз и законов изменения пространственных частот структур дифракционных линз;
проанализировать аберрационные свойства и коррекционные возможности одиночной радиально-градиентной линзы, сравнить их со свойствами и возможностями однородной рефракционной и дифракционной линз и разработать на этой основе принципы построения оптических компонентов, включающих элементы различных типов;
разработать алгоритмы и программные средства для решения сисгем нелинейных уравнений, обеспечивающих выполнение требований, предъявляемых к габаритным и аберрационным характеристикам объективов, включающих дифракционные и градиентные элементы;
разработать алгоритмы и программные средства оптимизации параметров объективов и провести на этой основе анализ потенциальных возможностей двух- и трехлинзовых дифракционно-градиентных и радиально-градиентных объективов:
исследовать возможности топографических методов получения зонной структуры дифракционных линз, предназначенных для фокусировки излучения рентгеновского диапазона.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые:
-
Методы предварительного расчета оптических систем, состоящих из градиентных линз, распространены на случай, когда в систему входят дифракционные линзы; получены формулы первичных аберраций вне-осевого дифракционного элемента, формирующего изображение на плоской поверхности, нормальной к оси наблюдения.
-
С точностью до членов шестого порядка малости получено аналитическое решение лучевого уравнения для неоднородной среды с радиальным распределением показателя преломления, имеющей произвольную по знаку оптическую силу.
-
Развита концепция псевдолуча как удобного инструмента для построения методики расчета аберраций высших порядков оптических систем, включающих элементы различных типов; получены формулы, разработаны алгоритмы и программные средства расчета хода псевдолуча через однородную и неоднородную среды, ограниченные сферическими поверхностями раздела, через поверхность раздела двух сред и через дифракционную линзу.
-
Получена полная картина коррекционных возможностей ради-алыю-градиентной линзы со сферическими поверхностями в области аберраций третьего порядка и определены условия, при которых у этой линзы могут быть одновременно устранены любые четыре из пяти монохроматических аберраций данного порядка.
-
На основе анализа коррекционных возможностей радиально-градиентной линзы предложены схемы высокоразрешающих оптических компонентов, в которых градиентная линза выполняет функцию силового элемента, а в качестве коррекционного элемента используется либо линза Смита, либо дифракционная асферика.
-
Разработаны алгоритмы и программные средства решения систем нелинейных уравнений, обеспечивающих при заданных габаритных соотношениях объектива, включающего дифракционные и градиентные линзы, одновременное устранение аберраций третьего или третьего и пятого порядков, а также алгоритмы и программные средства оптимизации параметров объектива, производимой на этапе лучевого расчета.
-
Предложены схемы двухлинзового и симметричного трехлинзо-вого гибридных объективов, включающих один дифракционный элемент и одну или две радиально-градиентные линзы; показано, что полевые характеристики этих объективов сопоставимы с характеристиками соответствующих двух- либо трехлинзовых дифракционных объективов, а све-топропускание, благодаря небольшой или даже нулевой оптической силе единственного дифракционного элемента, может существенно превышать светопропускание дифракционных объективов.
-
Показано, что простейшей радиально-градиентной оптической системой, в которой могут быть устранены все монохроматические аберрации третьего порядка, является склеенная линза Вуда - оптический элемент, имеющий внешние плоские преломляющие поверхности и изготовленный из двух неоднородных материалов с радиальным распределением показателя преломления, разделенных сферической поверхностью склейки.
-
Исследованы коррекционные возможности склеенного радиаль-но-градиеитного триплета в области монохроматических аберраций третьего и пятого порядков, получено несколько типов решений, обеспечивающих одновременное устранение в этой области всех аберраций; показано, что оптимизированный вариант триплета по своим аберрационным характеристикам превосходит все известные трехлинзовые объективы.
10.Разработаны алгоритмы и программные средства для проведения и оптимизации вычислительного эксперимента по формированию зонной структуры рентгеновских дифракционных линз методом интерференционного копирования с умножением пространственной частоты.
На защиту выносятся:
-
Универсальный аппарат расчета оптических систем, включающих дифракционные, радиально-градиентные и однородные рефракционные линзы, основанный на использовании гауссовых коэффициентов, оптических инвариантов, квазиинвариантов и псевдолучей.
-
Результаты исследования аберрационных свойств радиалъно-градиентной линзы со сферическими преломляющими поверхностями, показавшего, что у линзы такого типа возможно полное и одновременное устранение любых четырех из пяти монохроматических аберраций третьего порядка.
-
Методы, алгоритмы и программные средства, позволяющие получать схемы, оптимизировать конструктивные параметры, а также производить оценку потенциальных возможностей двух- и трехлинзовых оптических систем, включающих дифракционные и радиально-градиентные линзы.
-
Результаты анализа потенциальных возможностей предложенных в диссертации дифракционно-градиентных и радиально-градиентных объективов, показавшего, что по ряду важнейших параметров они существенно превосходят аналогичные по конструкции однородные рефракционные, рефракционно-дуіфракционньїе и дифракционные оптические системы.
-
Алгоритмы и программные средства оптимизации параметров системы интерференционного копирования, позволяющей умножать пространственную частоту зонной структуры дифракционных линз и получать линзы, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к конденсорам рентгеновских микроскопов.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
методы и программные средства расчета и оптимизации оптических систем, включающих дифракционные, однородные рефракционные и градиентные элементы, разработанные в диссертации, дополняют и расширяют арсенал средств анализа и проектирования оптических систем;
продемонстрированные в диссертации потенциальные возможности простых по конструкции дифракционно-градиентных и радиально-градиентных объективов создают необходимые условия для расширения элементной базы оптики и решения на этой основе насущных и перспективных задач в таких областях ее применения, как микрофотолитография, оптическая обработка информации, техническое зрение и т.д.;
- рассмогренные в работе голографические методы формирования зон
ной структуры дифракционных линз позволяют на существующем тех
нологическом оборудовании получать структуры линз, работающих в
широком спектре длин волн: от инфракрасного до мягкого рентгенов
ского диапазона;
- полученные допуски на ошибки синтеза структуры дифракционных
линз позволяют оценить качество и выработать требования к точност
ным характеристикам оборудования, используемого при их синтезе.
Результаты диссертации получены в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре физики Пензенской государственной архитектурно-строительной академии при непосредственном участии автора диссертации. Указанные НИР выполнялись в соответствии с координационным планом Научного совета АН СССР по проблеме «Оптика. Квантовая электроника» (1986-90 гг.), по государственным научно-техническим программам «Высокие технологии высшей школы» (1990-95 г.г.) и «Наукоемкие технологии» (1990-95 гг., 1996-2000 гг.), а также по грантам по фундаментальным исследованиям в области приборостроения (1994-95 гг., 1996-97 гг.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции «Формирование оптического изображения и методы его обработки» (Кишинев, 1985), Всесоюзном семинаре «Голограммные оптические элементы и их применение в промышленности» (Москва, 1987), I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград, 1988), рабочих совещаниях по компьютерной оптике (Сухуми, 1988; Тольятти, 1990), международной конференции «Ernst Abbe Conference» (Йена, 1990), VI Всесоюзной конференции по голографии (Ленинград, 1990), международном симпозиуме «Short wavelength lasers and. their applications» (Самарканд, 1990). II Всесоюзной конференции no оптической обработке информации (Фрунзе, 1990), VI Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), советско-китайском семинаре по голографии и оптической обработке (Бишкек, 1991), международной конференции «Holographies Interna-tional'92» (Лондон, 1992), XVI конгрессе международной комиссии по оптике (Будапешт, 1993), V международном семинаре по цифровой обработке изображений и компьютерной графике (Самара, 1994), международном симпозиуме «Информационная оптика. Научные основы и технология» (Москва, 1997)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 монографии, 24 статьи, 7 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство.
/
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников из 211 наименований. Она содержит 268 страниц текста, 14 таблиц, 53 рисунка.
