Математическое моделирование и экспериментальные исследования каустик световых полей, дифрагированных на обобщенных зонных пластинках

За последние два десятилетия на стыке таких научных дисциплин как голография, вычислительная и физическая оптика, оптическая и микроэлектронная технология сложилось новое научное направление, связанное с созданием и внедрением в оптическое приборостроение новой элементной базы — дифракционных оптических элементов [1−5] (ДОЭ). ДОЭ обладают особыми дисперсионными свойствами и позволяют осуществлять более широкий класс преобразований волновых фронтов и изображений по сравнению с классическими рефракционными и отражательными оптическими элементами.

Строго говоря, развитие дифракционной оптики [6−9] шло на протяжении всего времени существования физики параллельно развитию рефракционных оптических элементов, существенно сдерживаясь отсутствием подходящих материалов и технологий их обработки, которые позволяли бы производить дифракционные решётки с произвольной формой и профилем штриха. С появлением лазеров и ЭВМ начался процесс взаимопроникновения оптики и электроники, одним из следствий которого стало возникновение в конце 60-х годов новых оптических элементов, рассчитанных и выполненных с помощью ЭВМ [9] путём создания на поверхности плёнки с заданным геометрическим микрорельефом (дифракционной структуры) и оптической толщиной, кратной длине волны. Прошедшие с этого времени годы характеризуются взрывообразным развитием технологий оптои микроэлектроники. Элементная база оптики расширяется вследствие совершенствования технологий изготовления микрорельефов с одной стороны [3, 10−17] и постоянно повышающегося уровня понимания физических основ [8,19−21] функционирования ДОЭ и развития методов их расчёта [1, 2, 4, 22−24] - с другой стороны.

Для ДОЭ разность оптических путей от предмета до изображения не является непрерывной функцией координат на зрачке. В согласии с обобщённым принципом таутохронизма её можно представить в виде е + тЯ, где е — небольшая часть длины волны X, а т — любое целое число. С этой точки зрения обычные оптические системы (т = 0) — частный случай дифракционных. В этом смысле ДОЭ часто называют обобщёнными оптическими компонентами [8, 25]. Они могут осуществлять различные преобразования волновых фронтов и это открывает широкие перспективы их применения для фокусировки [1, 26, 27] оптического излучения в заданную область пространства [2,28−31] с заданным распределением энергии в нейдля коррекции волновых аберраций оптических элементов и систем [1, 4, 32−35]- для геометрических преобразований изображений [3638]- для деления пучков [39−41] и осуществления перекрёстных оптических связейдля создания эталонных асферических волновых фронтов [4, 21, 42].

Использование ДОЭ оказывается полезным прежде всего в тех областях оптического приборостроения, контрольно — измерительной и вычислительной техники, техники связи, бытовой техники, где возможности традиционной оптики и оптической технологии в значительной степени исчерпаны.

Применение вычислительной техники и методов математического моделирования в анализе оптических систем в настоящее время является актуальной проблемой. Лишь благодаря применению вычислительной техники для оптических расчётов и в новых технологических процессах изготовления современных оптических элементов, а также математическому моделированию процесса дифракции световых полей и применению математических методов в исследованиях ДОЭ стало возможно появление и развитие научного направления «Компьютерная оптика» .

Методы расчёта ДОЭ определяются их назначением и значительно отличаются один от другого. Общим является вычисление амплитудно-фазовой функции пропускания элемента, кодирование её по модулю 2%, а затем в случае необходимости — оптимизация местоположения границ зон. Функция пропускания определяется из условия максимального подобия распределения интенсивности в зоне дифракции Френеля или Фраунгофера заданному распределению. Подобные обратные задачи в оптике не имеют однозначного решения [2], что и обусловливает наличие и развитие различных методов расчёта. Качество расчёта функции пропускания традиционно характеризуется степенью подобия заданного и вычисленного распределения интенсивности. Зачастую сравнение проводилось лишь путём вычислительного эксперимента, и возможность практической реализации не принималась во внимание. Это было связано с отставанием развития технологий изготовления и отсутствием возможности экспериментальной проверки расчётов. Вместе с тем, по мнению автора, именно технологические ограничения и могут стать тем дополнительным условием, которое обеспечит однозначное оптимальное решение задачи расчёта ДОЭ.

Создание эффективно работающих ДОЭ потребовало проведения углублённого анализа каустик световых полей, изучения их свойств в дальней и ближней зонах дифракции, а также выделения класса ДОЭ — обобщённых зонных пластинок, которые наименее подвержены технологическим ограничениям.

Рефракционные линзы и сферические и цилиндрические зеркала традиционно применяются для фокусировки излучения в дальней зоне дифракции. Свойства их каустик хорошо изучены и известны. Тем не менее существуют оптические элементы, каустики которых изучены недостаточно. В отдельный класс ак-сиконов [43] выделяются аксиально — симметричные оптические элементы, изображающие осевую точку в виде отрезка прямой, расположенного вдоль оптической оси, и не осуществляющие проективных преобразований. К ним относятся тороидальные линзы, круговые дифракционные решётки и пропускающие или отражающие конусы. Аксиконная фокусировка используется для получения оптического разряда в газе [44], для создания опорной световой линии в метрологии [45, 46], для бесконтактных измерений перемещений отражающей поверхности [46], наблюдения изображения треков элементарных частиц [47] и в оптических системах звукозаписи и воспроизведения [48]. Актуальной является разработка методов расчёта [49 — 51] ДОЭ, создающих конические волновые фронты, выполненная в диссертационной работе. В круг проблем, решаемых в диссертации, входит и анализ каустик аксиконов.

Специфические проблемы возникают и при создании дифракционных линз (или зонных пластинок) для оптического приборостроения [1,4]. Зонная пластинка, известная со времён Френеля [6], претерпела множество изменений [7,8,52,53] и в форме профиля и в местоположении границ зон. Однако и в настоящее время продолжается разработка алгоритмов оптимального расчёта зонных пластинок (ЗП) [35]. В диссертационной работе проведена систематизация и сравнительный анализ оптических свойств обобщённых зонных пластинок (ОЗП).

В научной литературе достаточно подробно рассмотрены каустики зонных пластинок, которые формируются различными дифракционными порядками [5557], однако наиболее специфической особенностью ЗП является наличие сложного перераспределения световой энергии в областях между каустиками. В диссертационной работе впервые проведён анализ поля в этих областях и рассмотрены интерференционные свойства ЗП [58].

Ещё Слюсарев Г. Г. доказал [59] возможность расчёта безаберрационной зонной пластинки и нашёл методы такого расчёта. Однако расчётные параметры реализуются только в первом порядке дифракции, что накладывает значительные требования на соответствие расчётных и реально изготовленных формы профиля и границ зон [1,60,61], а так же количество зон в выходном зрачке. До настоящего времени изготовление дифракционных линз, создающих лишь один дифракционный порядок, является сложной и чрезвычайно дорогостоящей задачей [17]. Поэтому актуальным является изучение особенностей каустик ДОЭ, связанных с наличием многих дифракционных порядков (или фокусов у ОЗП), с формой профиля дифракционного штриха, с размером выходного зрачка ДОЭ и создание оптических систем, использующих особенности, присущие только ДОЭ. Данное направление работ входит в исследования, представленные в диссертации.

Решение задачи разработки микроскопа совмещения (например, для установок рентгенолитографии с использованием синхротронного излучения) требует применения оптических элементов, существенно удлиняющих каустику без изменения проективных свойств системы в целом. Известны микроскопы совмещения, состоящие из осветителя с импульсным источником света, микрообъектива, механически связанного с электрическим вибратором, окуляра и электронной схемы синхронизации источника света [62]. В литературе [63] описан микроскоп совмещения, в схеме которого световой поток делится на два канала, имеющих различную оптическую длину, что и позволяет совмещать изображения объектов, расположенных в различных предметных плоскостях. Возможно также использование в схеме обычного микроскопа двухфокусных оптических элементов [64], таких как линза с различной кривизной в верхней и в нижней полуплоскости [65] или система из двух склеенных двоякопреломляющих компонентов [66]. В рамках диссертационного исследования впервые разработана схема микроскопа совмещения [67] на основе оригинальных дифракционных двухфокусных оптических систем [68], использующих свойство многофокусно-сти ЗП. Микроскоп ориентирован на применение в промышленных технологиях.

Отдельный интерес представляют каустики простейших ДОЭ, состоящих из одного отверстия. Миниатюризация оптических приборов привела к необходимости изучения [69, 70] влияния дифракции на местоположение фокуса сходящейся сферической световой волны при различных числах Френеля и формах отверстия. Предпринят ряд попыток [71−73] нахождения приближённой формулы для быстрой оценки величины сдвига фокуса. Однако их точность оставалась недостаточно высокой. Исследования, представленные в диссертации, дают простую физическую интерпретацию дифракционной фокусировки [74] и позволяют ввести концепцию дифракционной оптической силы диафрагмы. Разработан метод построения интерполяционной формулы для отверстия произвольной формы [74−76], предложены простые и достаточно точные формулы для дифракционного сдвига изображения, а также проведены вычислительные эксперименты по изучению сдвига фокуса дифракционных линз.

Одной из перспективных областей применения ДОЭ является офтальмология, а именно — коррекция недостатков зрения. Большинство ДОЭ, предлагаемых для этих целей, предназначены для прямой замены рефракционных элементов [77]. В таком варианте их использования специфические свойства ДОЭ становятся неисправимыми недостатками. К редким исключениям можно отнести лишь двухфокусный искусственный хрусталик [78,79], однако никаких клинических испытаний эта разработка до сих пор не прошла. В рамках диссертационного исследования проведён анализ особенностей зрительного анализатора, связанных с движениями глаз, на основе которого предложены и проведён расчёт растровых апертурно-дифракционных очков (РАДО) для тренировки зрительного анализатора и коррекции недостатков зрения [80, 81]. Действие РАДО основано на использовании дифракционной оптической силы диафрагмы.

Одно из перспективных направлений в развитии дифракционной оптики связано с разработкой ДОЭ, позволяющих изменять форму каустики линзы либо перераспределять энергию в ней [2,28,29,=82]. Это направление связано прежде всего с задачами лазерной обработки материалов и маркировки [30]. Одно из возможных решений задачи заключается в создании ДОЭ, работающих совместно с рефракционными линзами, другое — в модификации структуры ЗП. Разработка и реализация обобщённых зонных пластинок с малыми потерями энергии для перераспределения энергии в фокальном пятне или фокусировки в кольцо входит в круг задач, решаемых в диссертации.

В то время как модификация формы, границ или местоположения зон ЗП позволяют изменять форму каустики или перераспределять энергию в ней, форма и глубина фазового профиля зоны определяют распределение энергии по дифракционным порядкам [1,83], что является одной из ключевых характеристик ЗП. Проблемы оптимизации фазового профиля ЗП тесно связаны с задачами расчёта дифракционных решёток с заданным распределением энергии между дифракционными порядками [84,85]. В диссертационной работе [40] задача расчета дифракционных оптических делителей пучка сформулирована как задача минимизации функции качества и проведена оптимизация профиля периода дифракционной решётки, осуществляющей деление падающего светового пучка на порядки равной интенсивности вплоть до 42-х порядков, с величиной функции качества менее 10 «24. Экспериментальное исследование изготовленных образцов подтвердило высокую устойчивость алгоритма расчёта. Этот результат значительно превосходит все полученные ранее [86,87].

В диссертации также обобщены результаты НИР, выполненных в 1983 -1999 годах под научным руководством и при личном участии автора.

Связь с государственными программами и НИР: работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами комплексных научно-исследовательских работ Института автоматиьси и электрометрии СО РАН по темам «Разработка и исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики», гос. per. № 810 839 026, гос.рег. № 80 039 444- «Разработка фундаментальных проблем создания и совершенствования элементной базы квантовой электроники и перспективной оптики», гос. per. № 01.86.58 729- «Развитие лазерных технологий и соответствующего оборудования субмикронной точностиразработка нетрадиционных элементов фотоники и высокопрецизионных оптико-электронных измерительных систем для научных исследований и машиностроения», гос. per. № 01.9.20 194- «Физико-технические основы 2-D и 3- D лазерных технологий (новые материалы и элементы для лазерных технологийсверхразрешениетехнологии оптической памяти, синтеза объёмных моделей и изображений, микрои наноструктурирование материалов). Развитие на их основе базовых лазерных технологий производства новых элементов, приборов и систем двойного применения», гос. per. № 01. 9. 60 13 066. Работа проводилась также в соответствие с планами работ по докторантуре НГУ.

Цели работы: включают систематизацию и сравнительный анализ обобщённых зонных пластинок (ОЗП) — исследование способов управления каустикой с помощью ОЗПсоздание теоретических и практических предпосылок для эффективного применения ОЗП в оптическом приборостроении путём разработки методов анализа и синтеза оптических систем с ОЗП.

Для осуществления целей предусматривается решение задач, связанных с созданием и развитием методов расчётаоптимизацией характеристик ОЗП, позволяющих видоизменять каустику, как с учётом требований и особенностей оптических систем, в которых они используются, так и с учётом особенностей оборудования, на котором они изготавливаютсяматематическим моделированием процесса преобразования световых полейразвитием принципов построения новых оптических систем, включающих эти элементы, а так же экспериментальным исследованием физических особенностей распределения световых полей, дифрагированных на этих элементах.

Научная новизна диссертации: состоит в том, что в ней впервые:

1. Развиты в рамках дифракционного приближения Френеля теория дифракционных аксиконов и методы их расчёта.

2. Развита в параболическом приближении Френеля теория дифракции сходящихся световых волн на плоском экране, понятие оптической силы обобщено на случай диафрагмы произвольного размера и формы. Разработана методика нахождения интерполяционной формулы оценки сдвига изображения в случае выходного зрачка произвольной формы. Предложены, разработаны и защищены авторским свидетельством растровые апертурно-дифракионные очки для тренировки зрительного анализатора и коррекции недостатков зрения.

3. Теоретически исследованы закономерности светового поля в окрестности главного фокуса фазовых ЗП, выходной зрачок которых содержит менее 10 зон.

4. Исследованы и обоснованы принципы построения и методика расчёта двухфокусных зонных пластинок. Защищён авторским свидетельством ряд дифракционных двухфокусных оптических систем, состоящих из объективов и специальных зонных пластинок, использование которых в микроскопах совмещения решает задачу одновременного наблюдения двух разнесённых по глубине объектов.

5. Разработана теория и методика синтеза модулированных ЗП с видоизменёнными каустикими. Синтезированы дифракционные структуры элементов, распределение энергии в каустиках которых оптимально для устройств вывода информации из ЭВМ и мезооптических Фурье-микроскопов.

6. Разработаны принципы оптимизации профиля периода структуры дифракционных оптических делителей пучка.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы состоит в том, что развито направление в физической и вычислительной оптике, связанное с применением обобщённых зонных пластинок. Разработаны практические рекомендации по расчёту дифракционной структуры обобщённых зонных пластинок с видоизменённой каустикой.

На основе полученных теоретических результатов и выводов разработаны новые зонные пластинки, устройства и приборы использующие их, в числе которых: растровые апертурно — дифракционные очки для тренировки зрительного анализатора и коррекции недостатков зрениядифракционная двухфокусная оптическая система для микроскопов совмещениядифракционные оптические делители пучка. Разработанными очками оснащены клиники г. Новосибирска, оптические устройства используются в технологических процессах совмещения масок (микроскоп совмещения Конструкторско-технологического института научного приборостроения (КТИ НП) Сибирского отделения РАН), в оптико-измерительных головках систем комплексного контроля основных геометрических размеров ЦДР, подготовленных к выпуску в КТИ НП, и в научных исследованиях.

Достоверность полученных результатов обоснована применением апробированных общих методов теории дифракции световых волнкомплексным характером работыдоведением научных исследований каустик до разработки методов расчёта ОЗП и до полностью завершённых систем, допускающих прямые проверки и испытания в реальных условияхсопоставлением экспериментальных и теоретических результатов.

На защиту выносятся:

1. Разработанные модели и методы расчёта дифракционных аксиконов в области лучевой и волновой оптики, которые позволяют адекватно описывать процесс формирования осевых каустик.

2. Методика нахождения дифракционной оптической силы диафрагмы и результаты анализа дифракции сферических волн на отверстиях в плоском экране.

3. Растровые апертурно-дифракционные очки, у которых размер и форма отверстий на дифракционой маске рассчитываются с учётом характеристик глаза по установленным нами формулам.

4. Закономерности светового поля в окрестности главного фокуса фазовых ЗП, выходной зрачок которых содержит менее 10 зон. Расчёт базовых компонентов двухфокусных дифракционных систем для микроскопа совмещения.

5. Расчет базовых компонентов двухфокусных дифракционных систем для микроскопа совмещения. Двухфокусные дифракционные оптические системы с уменьшенным числом линз и пригодные для встраивания их в схему стандартного микроскопа.

6. Теоретическое и экспериментальное обоснование метода расчёта ДОЭ, заключающегося в представлении структуры ДОЭ в виде ЗП с модулированным периодом, что позволило оптимально синтезировать ДОЭ для фокусировки излучения в кольцо в устройствах вывода информации из ЭВМ и мезооптических системах.

7. Принципы оптимизации профиля периода дифракционной структуры для проектирования дифракционных оптических делителей пучка, которые не только позволяют точно рассчитывать делители, но и обеспечивают высокую устойчивость решения.

Личный вклад. Постановка задач, способы решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору. Разработки дифракционных оптических систем на стадиях НИР и практическая реализация их выполнялись сотрудниками научного коллектива под руководством и при непосредственном участии автора.

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Содержит 293 страницы, 19 таблиц, 135 рисунков. Каждая глава посвящена одному виду зонных пластинок и их применениям.

В первой главе даны основные сведения о фундаментальных свойствах современных ДОЭ, проведена систематизация круговых зонных пластинок, изложены их характеристики и определены вопросы, требующие дополнительного рассмотрения в рамках диссертационной работы. В первой главе так же проведено исследование закономерностей светового поля в окрестности фокусов ЗП и введено понятие дифракционной оптической силы диафрагмы.

Во второй главе проведён анализ интерференционных свойств ЗП.

В третьей главе представлены результаты разработки и аппробации растровых апертурно-дифракционных очков и способов тренировки зрительного анализатора.

В четвёртой главе рассматриваются принципы построения дифракционных двухфокусных оптических систем и микроскопов совмещения на их основе.

В пятой главе проведён анализ волновых фронтов, имеющих осевую каустику, развиты алгоритмы и методы расчёта дифракционных оптических элементов, формирующих каустику указанного типа, а так же методы расчёта ДОЭ, удлиняю щих каустику без изменения проективных свойств оптической системы.

В шестой главе развиты алгоритмы и методы расчёта модулированных ЗП, формирующих каустику в дальней зоне дифракции. Представлен метод оптимизации фазового профиля дифракционных оптических делителей пучка. Приведены результаты моделирования прямого метода регистрации «звёзд» в ядерной фотоэмульсии при помощи ЗП с кольцевым импульсным откликом.

В заключении изложены основные результаты и выводы.

§ 6.9. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.

1. Совмещение функции фазовых масок и линз возможно путём модуляции дифракционной структуры фазовых зонных пластинок. Распределение амплитуды поля в фокальной плоскости модулированной ЗП пропорционально сумме преобразования Фурье от модулирующей функции и «фоновой засветки» .

2. Повышение эффективности процесса записи в лазерных системах регистрации информации достигается путем создания равномерного или кольцевого распределения интенсивности в фокальном пятне.

3. В результате проведённого анализа и расчётов ДОЭ найдено, что кольцевой импульсный отклик имеют несколько модулированных ЗП с различной дифракционной структурой, что позволяет выбирать оптимальный вариант, обеспечивающий требуемые характеристики фокального кольца.

4. Найдены параметры бинарной модулирующей функции, с помощью которой можно преобразовать гауссово в кольцевое или близкое к равномерному распределению интенсивности в фокальном пятне.

5. Предложен метод расчёта структуры зон дифракционной /<9 линзы, основанный на расчёте хода лучей, дополненном обобщённым принципом таутохрониз-ма.

6. Влияние «фоновой засветки» на процесс записи оценивается по отношению /ф интенсивности на оси основного дифракционного порядка к интенсивности фона. Показано, что гф пропорционально квадрату числа Френеля зонной пластинки, квадрату количества ступеней фазового рельефа и дифракционной эффективности главного фокуса.

7. Из проведенных экспериментов следует, что если запись дорожки на фотоматериале с высоким коэффициентом контрастности ведётся световым пятном с кольцевым распределением интенсивности, то ширина дорожки значительно слабее зависит от мощности лазера, чем при использовании гауссова пятна. Преобразование распределения интенсивности в экспонирующем пятне позволяет снизить требования к уровню шумов источника излучения.

8. Показано, что происходит оконтуривание изображений объектов, формируемых ЗП с кольцевым импульсным откликов в фурье — системе со сходящимся освещающим пучком света. Информация об ориентации и положении сторон прямоугольной щели, линейной цепочки из нескольких круглых отверстий сохраняется.

9. Результаты моделирования прямого метода регистрации «звёзд» в ядерной фотоэмульсии при помощи мезооптического фурье-микроскопа на основе ДОЭ подтверждают целесообразность разработки реальной системы для быстрого поиска событий. Особенность метода состоит в том, что он даёт многоканальную развертку вершин «звёзд» по глубине слоя ядерной фотоэмульсии.

10. Проведённое рассмотрение подтвердило возможность одновременного формирования двух каустик различного типа с помощью одного ДОЭ. Теоретически и экспериментально показано, что угловая модуляция структуры дифракционного аксикона позволяет получить осевую каустику с минимумом интенсивности на оптической оси.

11. Формулируя задачу расчета дифракционных оптических делителей пучка как задачу минимизации функции качества, и определяя соответствующим образом эту функцию, нам удалось провести оптимизацию профиля периода дифракционной решётки, осуществляющей деление падающего светового пучка на порядки равной интенсивности вплодь до 42-х порядков, с величиной функции качества менее 10″ 24. Экспериментальное исследование изготовленных образцов показало, что разброс в интенсивностях рабочих порядков делителя на 12 пучков составляет 6% при наличии ошибок изготовления, значительных (до 25%) по отношению к ширине канавки, наиболее узкой в периоде решетки, что характеризует большую устойчивость полученного решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. С учётом специфики дифракционной структуры проведена систематизация зонных пластинок и найдено единое представление функции пропускания круговых ЗП, позволяющее легко анализировать свойства ЗП.

2. Выявлены закономерности светового поля в окрестности главного фокуса фазовых ЗП с малым числом зон Френеля методом вычислительного эксперимента в рамках приближения Френеля теории дифракции. Показано, что положение максимумов интенсивности поля на оси фокусировки определяется как радиусом рабочего зрачка ЗП, так и количеством ступеней в фазовом профиле зоны.

3. Изучено влияние дифракции на отверстии на местоположение фокуса сходящейся сферической световой волны. Построена теория дифракционного сдвига изображения для точечного источника излучения. Введена концепция дифракционной оптической силы диафрагмы. Найдена дифракционная оптическая сила круглого, квадратного и полигонального отверстия. Построена интерполяционная формула оптической силы диафрагм произвольной формы. Показано, что в случаях, когда диафрагма вытянута в каком-либо направлении, дифракционная фокусировка будет различной по разным осям, то есть несимметричные вытянутые диафрагмы вносят определённый астигматизм.

4. Показано, что при освещении ЗП точечным источником света за пластинкой образуются круговые нелокализованные полосы Френеля и теория интерферометров позволяет провести полный анализ светового поля вне фокальных областей ЗП, а именно она правильно передаёт радиусы полос, их ширину и распределение интенсивности в полосе. В результате рассмотрения дифракции на ЗП в приближении Френеля показано, что после ЗП возможно лишь частичное самопроизвольное воспроизведение поля в смысле периодического распределения интенсивности, период которого совпадает с периодом ЗП, в одной плоскости (гт =2/,). Предложен интерферометр Тальбота на ЗП для визуализации фазовых объектов, измерения показателей преломления и их градиентов.

5. Разработаны и созданы растровые дифракционно-апертурные очки (РАДО), которые обладают оптической силой, и подобно линзовым очкам, создают на сетчатке аметропического глаза четкое изображение. Найдены способы расчета диаметров отверстий, позволяющие согласовать диаметр отверстия с оптической системой глаза и определён оптимальный растр. Показано, что возможно провести полную коррекцию с учётом особенностей рефракции глаза путем видоизменения формы отверстия. Клинические испытания РАДО выявили возможные области применения их в офтальмоэргономике и показали, что они принципиально отличаются от общепринятых способом формирования поля изображения на сетчатке. РАДО снимают спазм аккомодации, частично корригируют астигматизм и улучшают контрастную и цветовую чувствительность и могут быть рекомендованы к широкому применению в качестве тренажёров для зрительного анализатора.

6. На основе анализа основных свойств ЗП показано, что ЗП могут быть использованы в качестве многофокусных элементов оптических систем. Предложены и разработаны три варианта двухфокусных оптических систем, состоящих из объектива и зонных пластинок. Создана оригинальная конструкция двухфокусной системы, легко встраиваемая в стандартный микроскоп, защищенная авторским свидетельством.

Разработана и экспериментально апробирована оптическая схема двухфокусного микроскопа отражения, имеющего следующие характеристики:

— увеличение — до 600х;

— линейное поле зрения — 300 мкм;

— расстояние между предметными плоскостями изменяется от 50 до.

80 мкм, в спектральном диапазоне 450 — 625 мм.

В соответствии с требованиями на микроскоп совмещения установок рент-генолитографии проведена оптимизация оптической схемы микроскопа по следующим параметрам: величине линейного поля зрения, допустимому снижению контраста изображения, разности увеличений для предметных плоскостей.

7. Построена новая методика расчёта функции пропускания дифракционных аксиконов. Показано, что специальное распределение интенсивности вдоль фокального отрезка достигается путём согласования распределения интенсивности в поперечном сечении освещающего лазерного пучка и функции пропускания аксикона. В дифракционном приближении рассчитаны функции пропускания и реализована структура зон дифракционных аксиконов 2 типов: обеспечивающих постоянную интенсивность на оптической оси по всей длине фокального отрезка и обеспечивающих постоянное «энергетическое заполнение» в поперечном сечении фокального отрезка. Рассмотрение модулированных аксиконов подтвердило возможность одновременного формирования двух каустик различного типа с помощью одного ДОЭ. Показано, что угловая модуляция структуры дифракционного аксикона позволяет получить осевую каустику с минимумом интенсивности на оптической оси. Экспериментальные исследования каустик изготовленных ДОЭ подтверждают возможность расчётов по предлагаемым методикам. Теоретически и экспериментально показано, что при оптимальном подборе параметров конического аксикона и исходного пучка фокальный отрезок аксикона может служить основой для измерения расстояний. Шкалой в таком приборе служит диафрагма, откалиброванная с учётом влияния дифракции на конце фокального отрезка.

8. Предложено совмещать функции фазовых масок и линз путём модуляции дифракционной структуры фазовых зонных пластинок. Распределение амплитуды поля в фокальной плоскости модулированной ЗП пропорционально сумме преобразования Фурье от модулирующей функции и «фоновой засветки». В результате проведенного анализа найдено, что кольцевой импульсный отклик имеют несколько модулированных ЗП с различной дифракционной структурой, что позволяет выбирать оптимальный вариант, обеспечивающий требуемые характеристики фокального кольца.

9. Теоретически и экспериментально показано, что повышение эффективности процесса записи в лазерных системах регистрации информации может быть достигнуто путем создания равномерного или кольцевого распределения интенсивности в фокальном пятне. Влияние «фоновой засветки» на процесс записи с использованием ЗП оценено по отношению /ф интенсивности на оси основного дифракционного порядка к интенсивности фона. Показано, что /ф пропорционально квадрату числа Френеля зонной пластинки, квадрату количества ступеней фазового рельефа и дифракционной эффективности главного фокуса.

10. Экспериментально доказано, что происходит оконтуривание изображений объектов, формируемых ЗП с кольцевым импульсным откликов в фурьесистеме со сходящимся освещающим пучком света. Информация об ориентации и положении сторон прямоугольной щели, линейной цепочки из нескольких круглых отверстий сохраняется. Результаты моделирования прямого метода регистрации «звёзд» в ядерной фотоэмульсии при помощи мезооптического фурье-микроскопа на основе ДОЭ подтверждают целесообразность разработки реальной системы для быстрого поиска событий. Особенность метода состоит в том, что он даёт многоканальную развёртку вершин «звёзд» по глубине слоя ядерной фотоэмульсии.

11. Формулируя задачу расчета дифракционных оптических делителей пучка как задачу минимизации функции качества, и определяя эту функцию с учётом требований технологии и условия предотвращения разбрасывания энергии по высоким порядкам, нам удалось провести оптимизацию профиля периода дифракционной решётки, осуществляющей деление падающего светового пучка на порядки равной интенсивности вплоть до 42-х порядков, с величиной функции качества менее 10″ 24. Экспериментальное исследование изготовленных образцов показало, что разброс в интенсивностях рабочих порядков делителя на 12 пучков составляет 6% при наличии ошибок изготовления, значительных (до 25%) по отношению к ширине канавки, наиболее узкой в периоде решётки, что характеризует большую устойчивость полученного решения.

12. На основе результатов диссертационной работы созданы методы расчёта и ряд дифракционных оптических элементов, защищённых авторскими свидетельствами и успешно применяемых в различных оптических приборах и оптико-электронных системах.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: I Международном семинаре по оптической обработке изображений (Новосибирск, 1982 г.), IV Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1984 г.), Всесоюзном семинаре «Голографические оптические элементы и их применение в оптических приборах» (Москва, 1985 г.), Всесоюзной конференции «Современные проблемы физики и ее приложений» (Москва, 1987 г.), Всесоюзном семинаре «Голограммные оптические элементы и их применение в промышленности» (Москва, 1987 г.), V Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1987 г.), III Рабочем совещании «Компьютерная оптика» (Сухуми, 1988 г.), Международной конференции «Голография-89» (Варна, 1989 г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО 91) (Ленинград, 1991), Международной конференции «Diffractive Optics: Design, Fabrication, And Applications» (Rochester, USA, 1994), Международной конференции «Workshop On Diffractive Optics» (Прага, 1995), Международной конференции «Diffractive Optics» (Савонлинна, Финляндия, 1997), Международной конференции «Diffractive Optics» (iieHa, Германия, 1999), а так же на различных семинарах и совещаниях.

Диссертационная работа выполнена в Новосибирском Государственном университете и в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии наук.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своим товарищам и коллегам по развитию методов расчёта дифракционной оптики и многотрудным путям её внедрения: научному консультанту, заведующему лабораторией Физики лазеров ИАиЭ СОР АН чл.-корр. РАН С. Г. Раутиану, к. т. н. В. П. Коронкевичу, заведующему лабораторией Лазерных технологий ИАиЭ СО-РАН к. т. н. А. Г. Полещуку, заведующему лабораторией лазерной графики ИАиЭ СО РАН к. т. н. В. П. Бессмельцеву, С. Г. Баеву, А. И. Жилевскому, к. т. н. Е. И. Пальчикову, к. т. н. Г. А. Ленковой, А. М. Рябчуну, И. А. Михальцовой, В. В. Донцовойнеоценима работа по изготовлению опытных образцов, проводимая Ю. И. Юрловым, В. П. Корольковым, Е. Г. Чуриным, А. И. Малышевым. Сущест.

273 венный вклад в работу по изготовлению опытных образцов микроскопов внесли сотрудники НПО «Восток» А. Н. Генцелев и В. П. Нагорный, сотрудники ОИЯИ к. т. н. Л. М. Сороко и Д.Бенце.