Untitled Document

Скачать программу VOLKSOPTIK2 с инструкцией (файл volksoptik2_rar.exe)

Программа «VOLKSOPTIK» написана по ходу разработки малогабаритного спектрометра, в феврале 2004г. была выложена на сайт для свободного доступа, после доработки с учетом народных пожеланий появилась «VOLKSOPTIK2».
В ней можно перебирать имена файлов с оптическими системами, добавлены наружная и внутренняя круглые диафрагмы, сферические зеркала могут быть выпуклыми и могут иметь центральное отверстие, доработано системное меню.
Добавлен кусочек AUTOCAD-подобной оболочки. Если вести мышь над оптической схемой, ближайший к мыши элемент будет подсвечен, будут выданы его номер и название. Щелкнув мышью по элементу, можно «вытащить наверх» окно этого элемента. Раньше это делалось из стандартного меню Фортрана, при большом числе окон бывали сбои.
Увеличено число поставляемых с программой оптических схем, они используются для изучения и тестирования программы. По индивидуальным заказам можно выслать версию программы с цилиндрическими линзами, в стандартный пакет они не включены по политическим причинам.

Дальнейшее развитие программы пока не планируется: в работе по спектрометру она свои функции выполнила, для других целей нам пока не нужна, со стороны интернет-сообщества платежеспособного спроса на новые версии также не обнаружено.

Программа проверялась на WUNDOWS98 и WINDOWS XP (непосредственно, а также в режиме совместимости с Windows95, Windows98/Windows Me, Windows2000 и Windows NT 4.0), замечаний не было. Свои отзывы о программе просьба оставить в гостевой книге на страничке WWW.PITERART.RU/VOLKSOPTIK2, там же лежит html-вариант инструкции по работе с программой.

Программа «VOLKSOPTIK2» предоставляется как продукт “Shareware” -“попробуй перед тем, как купить”. Период для ознакомления - 30 дней с момента первого запуска программы. После этого Вы должны оплатить программу или удалить ее со своего компьютера.

Оплата производится путем перевода 50-ти рублей автору программы на кошелек R707576978532, подробности по процедуре оплаты на http://www.webmoney.ru Если вам удобнее доллары или евро, используйте кошельки Z432470790349 или E841584939356 соответственно.

В платежном поручении в качестве примечания укажите “оплата VOLKSOPTIK2” и пожалуйста сопроводите перевод письмом автору на varzanov@mail.ru

Вы скачиваете самораспаковывающийся архивный файл volksoptik2_rar.exe , после запуска он создает файлы:

2. ИДЕАЛЬНАЯ_ЛИНЗА.ops,
ИДЕАЛЬНЫЙ_ТЕЛЕОБЪЕКТИВ.ops,
РЕФЛЕКТОР.ops,
ТАИР3.ops,
ТАИР3_разрешение.ops,
СПЕКТРОМЕТР.ops - файлы с оптическими системами, используются при изучении и тестировании программы.

3. инструкция2.pdf – инструкция, то же что на этой страничке, но в pdf-формате.

Для нормальной работы программы в системе должен быть установлен фонт «Times New Roman Cyr» , он входит в стандартный WINDOWS, убедиться в его наличии можно с помощью программы «таблица символов». Она тоже входит в WINDOWS и лежит обычно в папке «Пуск -> Программы -> Стандартные -> Служебные».

По ходу работы программы кроме рисунков создается вспомогательный файл «Диагностика.dat». Для пользователя исходно не предназначался, но заглянуть можно, формат текстовый. Туда пишутся строки исходного файла volksoptik.ops по мере их ввода, в случае ошибки ввода это поможет найти место ошибки. Потом по мере прогона лучей пишется их число на входе или выходе каждого оптического элемента, это позволяет заметить, где теряется световой поток. При поиске плоскости наилучшей установки фотоприемника сюда же пишется размер пятна для каждого положения плоскости.

После запуска программы она запросит имя файла. Для начала выберем файл СПЕКТРОМЕТР.ops :

Это тот самый файл, который в предыдущей версии назывался volksoptik.ops, на примере которого написана предыдущая инструкция, а потому не будем нарушать традицию. После нажатия кнопки «Открыть» на экране появятся несколько окон, их число равно числу оптических элементов. В первом окне будет нарисована оптическая схема:

Затем она заполняется лучами, одновременно в других окнах рисуются точки прохождения лучей в плоскости каждого оптического элемента, эти точки в фокальной плоскости образуют аберрационные пятна:

Если вести мышь над окном с оптической схемой (окно должно «быть в фокусе», полоса сверху подсвечена), то ближайший к мыши элемент будет подсвечен зеленым цветом, в левой верхней части окна будет указан его номер (по ходу лучей) и название. Если щелкнуть по элементу левой кнопкой мыши, его окно будет поднято наверх и расположено «этажом ниже» оптической схемы.
Последняя возможность может показаться излишней, но для сложных оптических систем она просто жизненно необходима. Перебирать вручную десятки окон на экране тяжело, а система управления окнами из стандартного меню Фортрана в таких случаях дает сбои.

Для загрузки других оптических систем используйте раздел «Файл» системного меню в верхней части экрана. Из того же меню можно скопировать в буфер активное окно или его часть, приостановить и продолжить счет, управлять расположением окон, выйти из программы. Чтобы скопировать в буфер все, что видно на экране, используйте клавишу «Print Screen» клавиатуры (именно она использовалась для получения размещенных в инструкции рисунков).

Тепеперь поговорим об устройстве файлов, в которых записаны оптические системы. В принципе, если Вы твердо намерены оплатить вторую версию программы и получить «VOLKSOPTIK3», в тонкостях строения файла можно не разбираться: в 3-й версии оболочка все сделает за Вас. Хотя тут как в интернете: можно делать сайты, не зная языка HTML, но такое незнание никак не есть достоинство.

Формат файла текстовый, создается и редактируется файл с помощью редактора NOTEPAD, BRED2 или аналогичного (но не WORD). В файле в порядке прохождения лучей перечислены оптические элементы системы и их параметры - от источника излучения до фокальной плоскости. При этом:

-Все строки, содержащие в 1-й позиции символы “!”, “с” или “С” (и латинские, и русские) программой не воспринимаются и используются для комментариев.
-“Хвосты” информационных строк после 20-й позиции также программой не воспринимаются и могут использоваться для комментариев.
-Конец файла после описания фокальной плоскости программой не вводится и может использоваться для комментариев.

На сегодня программа знает оптические элементы:
-источник излучения (Код 11)
-круглая наружная диафрагма (Код 21)
-прямоугольная диафрагма (Код 22)
-круглая внутренняя диафрагма (Код 23)
-плоское прямоугольное зеркало (Код 31)
-круглое сферическое зеркало (Код 32)
-идеальная линза (Код 41)
-сферическая линза (Код 42)
-плоская отражательная дифракционная решетка (Код 51)
-фокальная плоскость с автопоиском (Код 62)

Теперь, подглядывая в файл СПЕКТРОМЕТР.ops, рассмотрим запись оптических элементов. Первая строка файла:

Первая строка описания любого оптического элемента содержит два числа, по 10 позиций на число, смысл их для всех элементов одинаков: первое число – код элемента, второе число – сколько нижележащих строк составляют описание этого элемента. Строки комментариев в счет не идут, их можно вставлять в любом месте, работа программы не изменится.

Затем идут строки, описывающие параметры оптического элемента. Они всегда содержат по одному числу, на него отводится 20 позиций. Размеры и положение оптических элементов всегда задаются в миллиметрах, углы – в градусах, длины волн – в микронах.

Источник излучения – это прямоугольная панель, испускающая в направлении своей нормали пучок параллельных лучей. Длина панели, измеренная по плоскости чертежа, в данном случае 30 миллиметров. «Глубина», измеренная перпендикулярно плоскости чертежа – также 30 миллиметров. Плоскость чертежа всегда проходит посередине оптического элемента: половина его лежит перед плоскостью чертежа, половина – за ней.

Далее, как видим, координата «Х» центра источника излучения = 4 миллиметрам, координата «Y» = 80 миллиметрам, нормаль источника и исходящее излучение направлены под углом 311 градусов к оси “X”. Расположение осей и отсчет углов – как учили в школе: ось «Х» идет горизонтально слева направо, ось «Y» вертикально снизу вверх, углы отсчитываются от оси «Х» против часовой стрелки.

Следующие 5 строк описания излучателя показывают: испускаются пучки размером 20*20=400 лучей с 4-мя длинами волн от 0.45 до 1.05 мкм. То есть всего 1600 лучей, между соседними лучами 30/(20-1)=1.58 миллиметра, длины волн 0.45, 0.65, 0.85 и 1.05 мкм, все лучи идут параллельно нормали и в том же направлении, но у каждого своя стартовая точка. На этом описание источника может быть закончено, при этом нормаль излучателя будет лежать в плоскости чертежа, а все лучи пойдут параллельно этой плоскости.

Но часто нужно заставить источник излучения поработать в качестве сканера, отклоняясь на небольшие углы от исходного положения. Это позволяет, например, посчитать сразу несколько аберрационных пятен в различных частях поля зрения, одновременно видеть их и сравнивать между собой. Или симитировать размерный источник излучения и оценить падение разрешающей способности спектрометра. Этим режимом управляет дополнительная группа из последних 6-ти строк.

Первые три строки показывают, что в плоскости чертежа (“меридиональная плоскость”) минимальное отклонение лучей от исходного направления составит –2.5° , максимальное +2.5° ,всего нужно взять 3 значения отклонения (т.е. –2.5° , 0° , +2.5°).

Следующие три строки управляют отклонением лучей от плоскости чертежа (“сагиттальная плоскость”) и показывают: нужно сформировать 3 пучка лучей, первый пойдет за плоскость чертежа, отклоняясь от нее на 0.2°,второй пойдет параллельно плоскости чертежа, третий пойдет в сторону наблюдателя, отклоняясь от плоскости чертежа на 0.2°.

Всего получаем таким образом 3*3=9 пучков по 1600 лучей, всего 14400 лучей. Общее количество лучей в системе не может превышать 1 000 000, что связано с размером заказанных массивов. Время счета 14400 лучей для рассматриваемой схемы на 530-мегагерцовом Р-II составило 7 - 8 секунд.

Если задать матрицу 0*0=0лучей, программа нарисует оптическую схему и остановится. Иногда это бывает полезно, чтобы рассмотреть и напечатать оптическую схему. Задав матрицу их одного-двух лучей, можно разглядеть их ход на схеме и понять причины «удивительных» оптических явлений, возникающих иногда при отладке системы. А при большом числе лучей видна структура аберрационных пятен.

За описанием источника идет пустая строка комментария и описание 1-го зеркала:

Как видим, описание плоского зеркала содержит 5 параметров. Их смысл полностью совпадает с теми же параметрами в описании источника излучения. Нормаль зеркала, как и всех остальных оптических элементов (кроме источника излучения), направлена навстречу приходящему излучению.

Смысл параметров ясен из комментариев, отметим лишь:

- Если радиус задан положительным: R>0, то поверхность выпуклая, оптическая сила положительна. Если R<0, поверхность вогнутая, оптическая сила отрицательна. Значение R=0 воспринимается как признак плоской поверхности с R=Ґ.

-Оптическая ось линзы в программе всегда лежит в плоскости чертежа, «протыкает» линзу, толщина линзы - это толщина стекла вдоль оптической оси. За центр линзы принимается середина участка оптической оси, проходящего внутри стекла.

-Параметр «минимально возможная толщина стекла» введен, чтобы освободить оператора от контроля толщины края линзы. Пока этот параметр не обрабатывается, проверяйте сами.

-Программа для каждого проходящего луча в зависимости от его длины волны выбирает ближайший по длине волны коэффициент преломления, никакой интерполяции не производится. Это упрощает программу, сокращает время счета, точность же расчета реально даже возрастает: вместо надежды, что все «само посчитается», пользователь должен ввести коэффициенты преломления для заданных в источнике излучения длин волн. Обычно расчеты ведутся для 3 – 4 длин волн, можно задавать до 95-и длин волн с соответствующими показателями преломления. При этом не забывайте изменять число параметров в 1-й строке описания линзы.

Толщины она не имеет, аберраций не создает, фокусное расстояние от длины волны не зависит. Иногда такой линзой полезно заменить еще не созданную часть оптической системы, чтобы «оживить» систему и с чего-то начать отлаживание.

После первой группы линз в нашей схеме идет 2-е плоское зеркало и 3-я линза. Их запись аналогична ранее рассмотренным, пропускаем.

Смысл параметров соответствует прямоугольному зеркалу.

Смысл параметров тот же, что в предыдущих элементах. При положительном радиусе зеркало вогнутое, оптическая сила положительна. При отрицательном радиусе получаем выпуклое, при нулевом – плоское зеркало. Зеркало может иметь центральное отверстие, пример записи – в файле «РЕФЛЕКТОР.ops» (рассмотрен ниже)

Речь идет о плоской отражательной прямоугольной дифракционной решетке. Смысл первых 6-ти параметров ясен из комментариев. Относительно порядка спектра отметим, что за один прогон считается спектр только одного заданного порядка (лучи в программе не размножаются). Если нужно проверить, не будут ли перекрываться спектры соседних порядков, следует прогнать программу несколько раз, задавая разные порядки спектра.
Программа позволяет вывести оптическую ось дифракционной решетки из плоскости чертежа. Вращение решетки используется, чтобы совместить с центром фотоприемника нужный участок спектра. Если угол вращения положителен, нормаль выходит из плоскости чертежа на наблюдателя, т.е. Z-компонента нормали положительна. Положение оси «Z» – как в авиации: «X» вперед, «Y» вверх, «Z» направо. При вращении решетки ее штрихи всегда остаются параллельными площади чертежа.

Под длиной и глубиной фокальной плоскости понимается размер... условно скажем - фотопластинки, который рисуется на оптической схеме и обводится синей рамкой в окне по имени “Фокальная плоскость”. Лучи, попавние на пластинку, рисуются зеленым цветом, не попавшие - красным.
Автопоиск происходит быстро: ход лучей на выходе предыдущего оптического элемента считается один раз, затем при каждом сдвиге фокальной плоскости считаются только точки пересечения лучей с новой плоскостью. При этом в файл ‘диагностика.dat’ для каждого положения фокальной плоскости пишутся размеры зоны разброса лучей в фокальной плоскости - по каждой из осей и по модулю. В том, что положение плоскости наилучшей установки фотоприемника нужно подбирать, легко убедиться расчетом: если в нашем примере поставить его на половине радиуса сферического зеркала (как учили в школе), размер аберрационного пятна увеличится в несколько раз.

Теперь, разобравшись в правилах записи оптических систем, хотелось бы убедиться, что результаты расчетов соответствуют реальности. Для этого использованы два пути:

А) Можно просчитать по программе всем известный, серийно изготовляемый объектив и посмотреть, совпадут ли результаты расчетов с реальностью.

Б) Можно просчитать по программе систему, которую несложно сосчитать аналитически, и сравнить результаты расчетов.

Начнем с пути (А). В качестве тестового объектива выберем трехлинзовый телеобъектив «Таир-3» (фокусное расстояние 300 миллиметров, разрешающая способность в центре 45 линий на миллиметр – Д.С.Волосов, «Фотографическа оптика»,М,.1971,стр.461)
Оптическая схема объектива записана в файле «ТАИР3.ops». Загрузим его, просчитаем, получим картину:

Здесь, как видно из файла «ТАИР3.ops», в меридиональной плоскости источник формирует 3 пучка излучения: параллельный оптической оси и отклоненный от нее на ±1° . То же самое и в сагиттальной плоскости, всего получаем 3*3=9 пучков лучей. Соответственно в фокальной плоскости получаем 9 пятен, в которых фокусируются эти пучки. Крайние пятна, как видно из рисунка, смещены от центра поля зрения на расстояние d»5.2миллиметра. Отсюда фокусное расстояние объектива F=d/tg(1°)=297.9мм. Учитывая приближенность оценки d по рисунку и приближенность самого паспортного значения F=300мм, совпадение расчета и эксперимента можно считать отличным.
Оценить разрешающую силу объектива по тому же рисунку не удастся: слишком мал масштаб изображения, кроме точек ничего не видно. Чтобы увеличить масштаб, отклонение пучков в источнике уменьшим до ±0.01°, а размер отображаемой части фокальной плоскости до 0.1*0.1мм. Файл, в который внесены эти изменения, называется «ТАИР3_разрешение.ops». Загрузив его на счет, получим:

Из рисунка видно, что при расстоянии между аберрационными пятнами 1/20 миллиметра они практически не перекрываются. Соответственно при расстоянии между линиями 1/40 – 1/45 миллиметра они будут на пределе возможности разрешения. Оценка конечно приближенная, но противоречий между расчетом и экспериментом мы не видим. Народ попросит - сделаем процедуру оценки разрешающей способности по ГОСТу.

Теперь перейдем к способу тестирования (Б). Проще всего аналитически считаются идеальные линзы и состоящие из них оптические системы. Для начала зададим линзу с фокусным расстоянием например 600 миллиметров и осветим ее осевым пучком, а также пучками, отклоненными от оси на ± 1градус в меридиональном и сагиттальном направлении (файл «ИДЕАЛЬНАЯ_ЛИНЗА.ops»). В этом случае:

1) Изображение должно быть сформировано на расстоянии 600 миллиметров от линзы,
2) Изображения наклонных пучков в фокальной плоскости должны быть на расстояении 600мм*tg(1°) = 600*0.017455=10.47мм от оси линзы, это смещение для меридионального и сагиттального отклонения должно быть одинаковым.

Как видим, и первое, и второе контрольное условие выполнено. Точки плохо видны на рисунке из-за того, что они очень малы: аберрации отсутствуют (на то и линзы идеальные). Но в окне запущенной программы вы увидите их вполне четко.
Всем хороша идеальная линза, но уж больно наш объектив получился длинным. Попробуем из двух идеальным линз сделать телеобъектив – такой же длиннофокусный и при этом малогабаритный. Покажем идею, а заодно протестируем программу. Сначала вспомним формулу для фокусного расстояния двухлинзовой системы:

Здесь F – фокусное расстояние системы, F1 и F2 – фокусные расстояния каждой из линз, d – расстояние между линзами.
Пусть расстояние между линзами будет d=50мм, фокусное расстояние первой линзы F1=55мм и требуемое фокусное расстояние системы F=600мм. Тогда

Далее вспоминаем из средней школы формулу линзы

где F2 – фокусное расстояние второй линзы, d2 – расстояние от предмета до линзы, f2 – расстояние от второй линзы до изображения.
Если бы второй линзы не было, первая сформировала бы изображение на расстоянии 55мм от себя, т.е. на 5мм дальше, чем стоит вторая линза. Поэтому промежуточное изображение предмета будет мнимым, а расстояние d2 отрицательным:

Реальное изображение будет сформировано второй линзой и будет находиться на расстоянии

f2 = 1/(1/F2–1/d2) = 1/(1/(–5.5046)–1/(–5)) = 54.5442мм от плоскости второй линзы.

Заметим, что общая длина объектива при этом окажется 54.5442 + 50 = 104.5442мм, а фокусное расстояние – те же 600миллиметров.

Теперь просчитаем этот объектив на компьютере. Найденные оптические силы линз и расстояния введены в файл «ИДЕАЛЬНЫЙ_ТЕЛЕОБЪЕКТИВ.ops», загрузим его и увидим изображенную на рисунке картину:

Как видим, изображение действительно сформировалось на расстоянии 54.5442мм от плоскости второй линзы, при этом само изображение не отличается от того, что в предыдущем тесте сформировала одиночная линза с F=600мм. То есть этот тест тоже можно считать пройденным.

Теперь покажем, во что порой превращается желание построить такой телеобъектив в реальности. А заодно продемонстрируем использование выпуклого сферического зеркала, вогнутого зеркала с отверстием, внутренней и наружной круглой диафрагмы. Для этого загрузим на счет файл «РЕФЛЕКТОР.ops». На экране увидим картину:

Как видим, аберрационные пятна в фокальной плоскости смещаются примерно на 11 миллиметров при отклонении входного пучка на 1°, следовательно, фокусное расстояние объектива примерно равно F = 11мм / tg(1°) = 630 миллиметров.
Теперь рассчитаем его аналитически. Как помним из курса физики средней школы, фокусное расстояние сферического зеркала равно половине радиуса кривизны зеркала: F=0.5*R. В нашем случае (см.файл «РЕФЛЕКТОР.ops») радиус первого зеркала R1=650мм, радиус второго R2= –500мм, расстояние между зеркалами d=205мм. Соответственно

Как видим, результаты расчета по программе и аналитического расчета практически совпадают.

Что касается качества изображения данного оптического прибора… тут не до числа линий на миллиметр – толщина каждой линии получается более миллиметра. Использовать его в качестве фотообъектива конечно нельзя.
Как повысить разрешающую силу, поговорим в следующих версиях программы, когда у нас будет возможность автоматически подбирать корректирующие элементы и использовать асферические поверхности. Пока отметим, что в каталогах фотообъективов подобного монстра (диаметром 280мм при длине 235мм) мы не увидим, и это не случайно. Что в некоторых случаях (для прожектора, например) такое качество может быть вполне приемлемым. И что рассматриваем мы его с учебными целями как пример системы, содержащей выпуклые зеркала, зеркала с отверстием, внутренние и наружные круглые диафрагмы. Поэтому заглянем в файл «РЕФЛЕКТОР.ops»:

Обратим внимание не на сами параметры (тут все ясно из комментариев), а на ее назначение в оптической схеме. Если бы ее не было, лучи от источника излучения пошли бы сразу к первому зеркалу и при этом прошли бы прямо сквозь второе (маленькое выпуклое) зеркало, поскольку о его существовании они еще ничего не знают. Вот чтобы «объяснить им», что сквозь это место идти нельзя, на его обратную сторону «наклеена» внутренняя диафрагма. А в описании оптической системы, где все элементы расположены в порядке прохождения лучей, эта диафрагма расположена между источником и первым зеркалом.

Сравнивая его с зеркалом без отверстия, рассмотренном в спектрометре, видим отличия: число параметров, указанное в первой строке, увеличилось с 5 до 6, а внизу появилась шестая информационная строка, содержащая диаметр внутреннего отверстия.

Ее описание, как видим, полностью совпадает с описанием круглой внутренней диафрагмы, только код элемента другой. И опять остановимся на смысле элемента: выйдя из второго зеркала, про первое зеркало лучи уже «забыли» и могли бы пройти сквозь его поверхность, окажись она на пути. Чтобы «напомнить» им о том, что пройти можно только через отверстие, и установлена диафрагма.
Кроме того, для этой диафрагмы программа заведет соответствующее окно, в нем мы сможем наблюдать лучи, идущие от второго зеркала к плоскости изображения. Если часть лучей пойдет мимо отверстия в зеркале, мы увидим это и не перепутаем их с лучами, попавшими на первое зеркало непосредственно от источника.
А если совсем по-честному, стоит здесь эта диафрагма с учебными целями. И если ее убрать, в данном конкретном случае ничего не изменится.
Обратим также внимание: центр диафрагмы немного (на 0.01мм) смещен влево от центра зеркала. На прохождение лучей это не влияет, но позволяет вам мышью выбирать то, что нужно - либо зеркало, либо диафрагму. Если бы их центры совпали, программе было бы гораздо сложнее решить, какой из этих элементов вы желаете выбрать. При некоторых сочетаниях типов элементов и из габаритов задача выбора была бы принципиально неразрешима.

Отметим еще одну возможность комментария. Если перед кодом элемента поставить знак «минус», данный элемент будет рисоваться на оптической схеме (более бледно, чем другие элементы), но не будет учитываться при расчете хода лучей.

И последнее: принцип «Хочешь, чтобы было сделано хорошо – сделай сам» безусловно красив и очень часто верен. Но если Вам нужна уникальная по качеству оптическая система или Вы готовитесь к серийному производству, стоит воспользоваться помощью профессионалов. Государственный Оптический Институт основан в 1918 году, был головным по оптике в Советском Союзе, здесь работают профессионалы высочайшего класса. Пишите, подскажу с кем связаться.
Если же Вам приглянулся спектрометр - это к нам. Приведенная схема сильно упрощена, реально разрешение выше, механическая и климатическая стойкость высокая, энергопотребление малое, и уж конечно в фокальной плоскости там не фотопластинка.