Импульсный светосигнальный прибор с цилиндрической линзой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Список сокращений

Введение

1. Анализ литературных данных

2. Техническое задание

3. Выбор параметров огня кругового обзора

3.1 Выбор источника света и его параметров

3.2 Выбор формы несущего слоя

4. Метод расчета

4.1 Оптический расчет цилиндрической линзы

4.1.1 Расчет геометрических параметров призматических элементов, расположенных выше центрального окна

4.1.2 Оптический расчет центрального элемента линзы, не содержащего призматических элементов

4.1.3 Расчет геометрических параметров призматических элементов, расположенных ниже центрального окна

4.2 Светотехнический расчет цилиндрической линзы

4.2.1 Расчет КСС элемента линзы, не содержащего призматических элементов

4.2.2 Расчет КСС призматических элементов

4.2.2.1 Разворот осевых лучей

4.2.2.2 Свойства элементарного отображения призматического элемента

4.2.2.3 Расчет зональной КСС верхнего призматического элемента

4.2.2.4 Расчет зональной КСС нижнего призматического элемента

5. Составление программы и расчет импульсного светосигнального прибора

5.1 Расчет с помощью программы MathCAD

5.2 Расчет с помощью программы Trace Pro

5.3 Расчет с помощью программы CODE V 9.5

6. Результаты, сравнение и анализ расчетов, произведенных в разных программах

7. Конструктивная компоновка (Общий чертеж)

8. Экономическая часть

8.1 Технико-экономическое обоснование целесообразности проведения данной работы

8.2 Расчет затрат (ориентировочных) на проектирование светового прибора различными методами

9. Охрана труда

9.1 Обеспечение безопасности светового прибора

9.1.1 Краткая характеристика светового прибора

9.1.2 Выбор защитной оболочки по IP

9.2 Система питания импульсного светового прибора

9.2.1 Анализ опасности поражения током

9.2.2 Требования к защитным проводникам

9.2.3 Выбор защитных мер

9.2.4 Выбор УЗО

9.3 Организация рабочего места

9.3.1 Требования к помещению для работы с ЭВМ

9.3.2 Требования к оборудованию рабочего места

9.3.3 Требования к освещению на рабочем месте

9.3.4 Требования к уровню шума

9.3.5 Требования к микроклимату

9.3.6 Требования к пожарной безопасности

Заключение

Список литературы

Список сокращений

СС - светосигнальная система

ВС - воздушное судно

ЛА - летательный аппарат

ССО - светосигнальное оборудование

ВПП - взлетно-посадочная полоса

КСС - кривая силы света

ИС - источник света

НЗП - нулевой защитный провод

ЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

Введение

Светосигнальные системы вертодромов должны обеспечивать регулярность и безопасность полетов вертолетов гражданской авиации и ВВС в условиях плохой видимости. При этом постоянное развитие воздушной техники, обновление моделей вертолетов, требования снижения метеоминимума, при котором возможны полеты - все это заставляет непрерывно совершенствовать светосигнальное оборудование.

Радиотехнические средства обеспечивают безопасность подлета ВС к вертодрому на дальних к нему расстояниях, а светосигнальные средства используются на конечных стадиях посадки, пробеге и рулении.

Одним из важнейших элементов светосигнальных систем является импульсный светосигнальный маяк, с помощью которого, пилоты вступают в визуальный контакт с вертодромом на самых дальних расстояниях (до 30 км ночью и до 3.5 км днем).

Целью настоящего дипломного проекта является разработка импульсного светосигнального маяка с цилиндрической линзой, являющегося частью светосигнальных систем, для применения на вертодромных площадках. Для достижения этой цели будет произведен оптический и светотехнический расчет цилиндрической линзы этого импульсного маяка. А по итогам работы будет создана (посредством MathCAD 14) программа расчета цилиндрических линз для импульсных маяков, сочетающая в себе оптический и светотехнический расчет. Эта программа в дальнейшем сможет упростить процесс разработки и расчета этих приборов.

1. Анализ литературных данных

Как было сказано выше импульсный светосигнальный маяк входит в состав светосигнальных систем, комплексов, применяемых на вертодромных площадках. В нашей было стране разработано и внедрено в серийное производство большое число вертодромных электросветосигнальных комплексов типа «Синева», «Сигнал» для гражданского применения и типа «Квадрат» различных модификаций для ВВС, а также комплекты оборудования для вертолетных площадок г.Москвы.

Рассмотрим светосигнальный комплекс для вертодромов «Квадрат-ВП». Схема размещения изделий комплекса «Квадрат-ВП» [2] приведена на рис. 1.1. Питание комплекса осуществляется от промышленной сети [2]. Огни знака посадки и импульсный маяк работают в проблесковом режиме, остальные огни -- в непрерывном режиме. Предусмотрена трехступенчатая регулировка яркости огней[2].

Светосигнальный комплекс «Квадрат-ВП» в любое время суток в простых и сложных метеоусловиях обеспечивает [2]:

- возможность визуального выхода вертолетов в район посадки с последующим расчетом маршрута захода на посадку;

- указание направления движения при заходе вертолета на посадку, при рулении к месту осмотра и заправки;

- обозначение размеров посадочной площадки, места начала снижения скорости вертолета перед приземлением, места приземления вертолета по самолетному и вертолетному вариантам подхода к площадке.



Рис. 1.1 Схема размещения элементов комплекса «Квадрат - ВП»

Оптический блок импульсного маяка состоит из импульсной лампы и цилиндрической линзы Френеля [2]. Вид цилиндрической линзы показан на рис. 1.2 .

Рис. 1.2 Цилиндрическая линза.

2. Техническое задание

Прежде чем приступить к разработке и проектированию светового прибора необходимо сформулировать технические требования, которым должен удовлетворять прибор:

1. Назначение проектируемого светового прибора и условия его эксплуатации. Для светосигнальных приборов необходимо указать характер передачи сигналов, цвет сигнала, место и характер установки прибора, дальность видимости сигнала.

2. Светотехнические требования. Необходимо привести светотехнические характеристики прибора.

1. Импульсный светосигнальный маяк предназначен для обеспечения регулярности и безопасности полетов вертолетов гражданской авиации и ВВС в условиях плохой видимости. Маяк излучает повторяющуюся серию из четырех коротких с равными интервалами вспышек (буква «H» - Helicopter). Продолжительность серии 0.8 секунд, а интервалы между сериями 2.2 секунды.

Рис. 2.1 Временная зависимость излучения прибора

Светосигнальный маяк устанавливается на ровную горизонтальную поверхность (например, крышу здания контрольно-диспетчерского пункта вертодрома). Это необходимо для того, чтобы постройки находились ниже и не экранировали свет, характер установки прибора должен быть стационарный. Дальность видимости сигнала должна быть до 30 км. ночью, и до 3.5 км. днем, т.к. пилоты воздушного судна вступают в контакт с вертодромом на дальних расстояниях. Цвет маяка - оранжевый. Световой маяк должен работать как днем, так и ночью.

2. В МВТУ им.Баумана специально для данного типа световых приборов была разработана импульсная разрядная лампа в форме тора. Этот источник света имеет заданные заказчиком светотехнические характеристики. Заданная кривая силы света задана в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Заданные значения КСС импульсного светосигнального маяка.

Угол, град	80	83	86	87.5	88.5	90
Сила света, кд	250	750	1700	2500	2500	1700

Форма кривой силы света рассчитываемой цилиндрической линзы с тороидальной лампой должна соответствовать рис. 2.2

Рис. 2.2 Заданная КСС для импульсного светосигнального маяка

Эффективная сила света тороидальной лампы должна составлять не менее 400 кд., а т.к. эффективная сила света тороидальной лампы составляет 2800 кд. (задано Заказчиком), то можно выбрать режим питания лампы менее напряженным, что в свою очередь увеличит ресурс лампы. Диаметр тора должен быть порядка 46 мм. Сечение канала разряда имеет форму окружности диаметром 5 мм. Тороидальная лампа в цилиндрическом линзовом колпаке прибора расположена горизонтально.

Значения параметров, которые будут использоваться при расчете, в таблице 2.2

Таблица 2.2 Значения параметров, используемых в расчете.

Диаметр трубки кольцевого источника света, мм	5
Диаметр кольцевого источника света, мм	46
Угол раствора	5
Фокусное расстояние, мм	42
Толщина несущего слоя мм	4
Тип источника света	импульсный, разрядный в виде тора
Эффективная сила света источника света, кд	400
Длина дугового разряда, мм	144
Ширина дугового разряда, мм	5
Расположение источника света	горизонтальное

3. Выбор начальных параметров огня кругового обзора

Целью расчета данного светового прибора является определение оптического профиля призм по заданной КСС и выбор геометрических параметров несущего слоя линзы. Форма преломляющих элементов определяется расчетом координат узловых точек профиля и установлением необходимого преломляющего угла Форма и размеры несущего слоя определяются конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами [3].

3.1 Выбор типа источника света и его параметров

Выбирая источник света, будем исходить из полученного значения полезного светового потока источника света. Сравнивая это значение со световым потоком, который необходим для заполнения заданной кривой силы света огня, мы сделаем вывод о том, подходит ли нам данный источник света или нет.

Для расчетов будем считать, что дуговой разряд представляет собой тор, у которого светится только одна боковая поверхность. Для того, чтобы светилась только боковая поверхность, нам необходимо в центр тора поставить экраны.

Рассмотрим построение КСС источника света. Пусть тороидальное светящее тело расположено, как показано на рисунке 3.1.



Рис. 3.1 Расположение тороидального светящего тела.

Сила света источника в направлении равна:

где - сила света источника в направлении; - яркость источника света; - площадь проекции светящего тела на плоскость, перпендикулярную направлению .

Площадь проекции тороидального светящего тела на плоскость, перпендикулярную направлению , равна:

где - площадь проекции светящего тела на плоскость, перпендикулярную направлению

Проекцией тороидального светящегося тела накала на плоскость, перпендикулярную направлению является прямоугольник, площадь которого равна:

где - диаметр светящего тела; - диаметр тороидального ИС.

Сила света источника в направлении :

Сила света источника в направлении :

Световой поток источника света определяется по следующей формуле:

где - зональный телесный угол, в пределах которого распространяется излучение источника света; и - плоские углы, определяющие пределы распространения излучения источником света.

В нашем случае и . Следовательно, выражение для

нахождения светового потока примет следующий вид:

Вычислив данный интеграл получим:

Так как мы используем лампу, работающую в импульсном режиме, то сила света находится, как:

где - указанная сила света лампы; - эффективная сила света, t - время импульса.

Рассмотрим кривую силы света импульсного светового маяка, рассмотренную в техническом задании. Выберем нулевое направление для прибора, совпадающее с нулевым направлением ИС. Проинтерполируем данные значения из таблицы 2.1. Воспользуемся интерполяцией кубическими сплайнами. Полученный результат в виде кривой силы света представлен на рис.3.2

Рис. 3.2 Требуемая КСС импульсного маяка

Рассчитаем световой поток, который сдержит кривая силы света маяка.

Рассчитаем световой поток, даваемый выбранным источником света.

где получаем приемлемый световой поток.

3.2 Выбор формы несущего слоя

Линза должна иметь коническую форму, на наружной поверхности которой находятся призматические элементы, это необходимо для получения заданной КСС. Подобные изделия изготовляются методом прессовки, поэтому им нужно придать такую форму, которая позволила бы освободить пресс-форму и пуансон. Освобождение пуансона, имеющего вертикальное движение, обеспечивается углом раствора q конической формы линзы, значение которого равно 5° [3].

Фокусное расстояние задано и равно 42 мм. Угол охвата выбирается исходя из принятого угла раствора конической формы линзы q и допустимых значений френелевского отражения. С увеличением угла охвата растут потери на френелевское отражение, которые значительно снижают коэффициент пропускания стекла, а, следовательно, и КПД светового прибора. Угол охвата должен быть таким, чтобы при данном угле q углы падения света на первую преломляющую грань были меньше 50° [3].

Величина толщины несущего слоя определяется технологическим требованием равномерного остывания стекла после прессовки изделия. При малой толщине несущего слоя может быть большая неравномерность толщины линзы в местах основания и вершины призм, что даст неравномерное остывание изделия, а, следовательно, вредные напряжения в стекле и его короблении. Поэтому толщина несущего слоя принимается равной 4 мм.

Выбор угловой ширины кольцевого призматического элемента обусловлен светотехническими и производственными требованиями. С одной стороны, чем крупнее призмы, тем легче изготовление пресс-формы и точнее воспроизведение рассчитанного профиля призм. С другой стороны, чем крупнее призмы, тем труднее обеспечить плавное светораспределение, заполнение данной КСС, а само изделие становиться тяжелым и малотехнологичным. Угловую ширину кольцевых призм выгодно брать неравномерной. Это делается для создания одинаковой средней толщины изделия [3].

4. Метод расчета

4.1 Оптический расчет цилиндрической линзы

Расчет цилиндрической линзы заключается определении ее несущего слоя и формы каждого призматического элемента, удовлетворяющего заданному светораспределению. Поэтому, прежде чем приступать к такому расчету, следует найти уравнения, определяющие геометрические параметры преломляющих элементов.

4.1.1 Расчет геометрических параметров призматических элементов, расположенных выше центрального окна

Пусть призма, расположенная, как показано на рис. 4.1, должна отклонить под углом б осевой луч, который падает на ее вершину в точку МВ.

Оптический расчет такой призмы следует начинать с определения координат точки МВ, находящейся на первой преломляющей грани призмы. Осевой луч источника, падающий в точку МВ, ориентирован углом цхВ, поэтому координаты этой точки определяются следующими выражениями:

где f - фокусное расстояние линзы; - угол, составленный осевым лучом с осью Х.

В точке МВ углы падения и преломления (первой преломляющей гранью) определяются выражениями:



где n -показатель преломления стекла призмы.

Рис 4.1 - Оптический расчет верхнего призматического элемента.

Координаты точки , принадлежащей второй преломляющей грани, можно рассчитать, зная угол преломления :

где - толщина несущего слоя; - угол, между лучом и осью Х.

Зная координаты точки второй преломляющей грани, следует ей придать такое положение в пространстве, чтобы луч пошел после преломления по направлению б.

Из рис. 4.1 видно, что искомый угол можно определить, если известно значение угла падения луча на вторую преломляющую грань. В этом случае

Величина находится с помощью дополнительного угла

Затем, поделив обе части равенства на получим:

Из рис. 4.1 угол находится как разность углов

и

Следовательно, преломляющий угол:

Оптический расчет призмы завершится, если определим координаты точки , принадлежащей второй преломляющей грани призмы и третьей соединительной нерабочей грани призмы. Так как координаты точек и , лежащих на вершине предыдущей призмы, известны, нахождение местоположения точки сведется к решению треугольника . Длина стороны этого треугольника находится по известным координатам точек и :

Угол при вершине равен , а угол при вершине равен:

где - угол составленный лучом и осью X.

Зная , и , можно рассчитать сторону

Координаты точки определяются следующими выражениями:

Оптический расчет профиля призматического элемента заканчивается проверкой выступа третьей соединительной грани призмы над несущим слоем:

4.1.2 Оптический расчет центрального элемента линзы, не содержащего призматических элементов

В данном разделе мы определим координаты точек , , , , расположение которых указано на рис. 4.2.

Координаты точки определяются следующими выражениями:

В точке углы падения и преломления определяются выражениями:

Координаты точки можно рассчитать, зная угол преломления

Координаты точки определяются следующими выражениями:

Углы падения и преломления в точке имеют следующие значения:

Координаты точки можно рассчитать, зная угол преломления

Рис. 4.2 - Оптический расчет элемента линзы, не содержащего призматические элементы

4.1.3 Расчет геометрических параметров призматических элементов, расположенных ниже центрального окна

Пусть призма расположена так, как показано на рис. 4.3.

Осевой луч источника, падающий в точку МН, ориентирован углом цхН, поэтому координаты этой точки определяются следующими выражениями:

где - угол, составленный осевым лучом с осью Х.

В точке МН углы падения и преломления (первой преломляющей гранью) определяются выражениями:

Координаты точки , принадлежащей второй преломляющей грани, можно рассчитать, зная угол преломления :

где - угол, между лучом и осью Х.

Из рис. 4.3 видно, что искомый угол можно определить, если известно значение угла падения луча на вторую преломляющую грань. В этом случае

Величина находится с помощью дополнительного угла

Рис. 4.3 - Оптический расчет нижнего призматического элемента

Затем, поделив обе части равенства на получим:

Из рис. 4.3 угол находится как разность углов

и

Следовательно, преломляющий угол:

Оптический расчет призмы завершится, если определим координаты точки , принадлежащей второй преломляющей грани призмы и третьей соединительной нерабочей грани призмы. Так как координаты точек и , лежащих на вершине предыдущей призмы, известны, нахождение местоположения точки сведется к решению треугольника . Длина стороны этого треугольника находится по известным координатам точек и :

Угол при вершине равен , а угол при вершине равен:

где - угол составленный лучом и осью X.

Зная , и , можно рассчитать сторону

Координаты точки определяются следующими выражениями:



Выражения, определяющие координаты точки , справедливы при определенных углах , так как возвышение третьей грани над горизонтальной плоскостью определяется значением технологического угла q. Действительно, при третья грань призмы имеет горизонтальное направление, что является недопустимым, так как после прессовки линзы невозможно освободить форму от изделия. В этом случае пренебрегаем совпадением луча с третьей гранью призмы, и точку устанавливаем согласно требованиям технологии. Если технологический угол возвышения нерабочей грани призмы над горизонталью принять равным q, то уравнения применяются при соблюдении следующего неравенства:

В случае невыполнения этого условия в указанных уравнениях вместо следует подставлять q.

Оптический расчет профиля призматического элемента заканчивается проверкой выступа третьей соединительной грани призмы над несущим слоем:

При

4.2 Светотехнический расчет цилиндрической линзы

4.2.1 Расчет КСС элемента линзы, не содержащего призматических элементов

КСС данного элемента представляет собой КСС источника света, умноженную на коэффициент пропускания стекла линзы во всем диапазоне, где нет призматических элементов. То есть

4.2.2 Расчет КСС призматических элементов

Оптическое устройство с призматическими преломляющими элементами может рассматриваться как состоящее из отдельных зон. Как следует из оптического расчета, каждый призматический элемент осуществляет перераспределение светового потока независимо от других элементов. Из сказанного можно сделать вывод о том, что задача расчета сводится к подбору таких профилей кольцевых призм, которые обеспечили бы зональные кривые силы света каждой призмы, совпадающие в сумме с заданной кривой силой света.

4.2.2.1 Разворот осевых лучей

Призматический элемент при сечении поперечной плоскостью образует концентрическое кольцо. Поэтому в этом сечении он оказывает настолько малое преломляющее действие, что им можно пренебречь. Сечение продольной плоскостью дает преломляющий профиль. При этом осевые лучи источника, упавшие на основание и вершину призматической зоны и удаленные друг от друга на угол , после преломления их зоной будут образовывать новый угол . Этот угол отличается от угла , потому что осевые лучи источника имеют различные углы падения.

Величина разворота осевых лучей в общем случае определяется показателем преломления стекла n кольцевой призмы, ее преломляющим углом и ее угловым размером . Для призматического элемента, находящейся на конической части несущего слоя, угол является величиной постоянной, и так как для осевых лучей постоянен и показатель преломления n, то величина для данной призмы полностью зависит от углового размера . Величина разворота может быть найдена с помощью коэффициента преломляющего действия призмы V, равного отношению приращения угла преломления второй гранью к приращению угла падения на первую грань. Иначе говоря, коэффициент V показывает, во сколько раз уменьшится или увеличится угол между преломленными призматическим элементом лучами по отношению к величине угла, который они составляли между собой при падении на призматический элемент.

Коэффициент V находится из выражений, определяющих ход лучей в призме:

Считая в формулах (4.2) - (4.4) n и постоянными и дифференцируя, получим:

Система уравнений (4.5) -(4.7) позволяет найти отношения дифференциалов и :

Так как

то окончательное выражение для коэффициента V может быть записано в следующем виде:

Знак «минус» указывает на перемещение краевых лучей (нижние стали верхними, и наоборот), что для нас не имеет значения, поэтому его можно опустить.

Величина разворота осевых лучей для кольцевой призмы с постоянным углом равна произведению ее углового размера на коэффициент преломляющего действия:

4.2.2.2 Свойства элементарного отображения призматического элемента

Элементарное отображение, создаваемое бесконечно малым участком поверхности преломляющего элемента, обладает рядом свойств. Вследствие преломляющего действия кольцевой призмы в плоскости профильного сечения (продольной плоскости) размер ЭО в этой плоскости не равен угловому размеру светящего тела. Наоборот, в плоскости, перпендикулярной профильной, кольцевая призматическая зона не оказывает преломляющего действия, и поэтому размеры ЭО в этой плоскости равны угловому размеру светящего тела. Поэтому форма ЭО, создаваемого бесконечно малым участком кольцевой призмы, не идентична форме телесного угла, в который вписывается светящее тело источника.

Для расчета угловых размеров ЭО, создаваемого исчезающее малым участком кольцевой призматической зоны, следует рассмотреть ее профильное сечение и определить факторы, влияющие на размеры ЭО в этом сечении. На любой бесконечно малый участок первой преломляющей поверхности источник света посылает пучок световых лучей, максимальный угол расхождения которых равен угловому размеру светящего тела о. Вследствие различной степени преломления этих лучей последние, выйдя из призматического элемента, образуют некоторый новый угол расхождения . Угол будет являться размером ЭО в продольной плоскости при монохроматическом источнике света. Расчет значения легко произвести с помощью коэффициента преломляющего действия призмы V:

При немонохроматическом источнике света на ЭО кольцевой призмы скажется ее дисперсионное действие. Каждый белый луч ЭО разложится на ряд цветных, отстоящих друг от друга на некоторое угловое расстояние. Вследствие этого появится дополнительный угол между фиолетовым и красным лучами, ставшими краевыми в ЭО.

Расчет дополнительного за счет дисперсии угла заключается в том, что находится приращение угла в зависимости от изменения показателя преломления n. Выражение, определяющее ход луча, преломленного на второй грани призматического элемента, следующее:

Так как

то выражению (4.14) можно придать следующий вид:

Величины и n в формуле (4.16) зависят от спектрального состава луча. Продифференцировав выражение (4.16) по n, получим значение искомого угла:

где - угол отклонения красного или фиолетового луча от желто-зеленого; - значение половины полной дисперсии стекла, равное 0.01 для обычного стекла призматического элемента.

При расчете размера ЭО интересна относительная величина его дополнительного увеличения за счет дисперсии, которая может быть выражена следующим отношением:

где - угловой размер светящего тела источника.

Полный угловой размер ЭО в продольной плоскости при немонохроматическом источнике света будет:

Второй отличительной чертой ЭО призматической зоны является неравномерная яркость его лучей, получающаяся в результате действия дисперсии. Вследствие значительной сложности определения неравномерной яркости лучей ЭО для практических расчетов Н. А. Карякин предложил понятие «эквивалентного ЭО». Световые потоки, заключенные в эквивалентном и действительном ЭО, равны, но распределение светового потока в пределах ЭО принимается равномерным. Вследствие этого размеры эквивалентного ЭО будут меньше действительного, т.е. .

Угловой размер эквивалентного ЭО в продольной плоскости находится так же, как и действительного (4.19):

Величина находится из выражения:

в которое следует подставить величину :

Величина половины дисперсии соответствует длине волны монохроматического излучения, ограничивающего эквивалентное ЭО. Для практических расчетов величина принимается равной 0.0015. В таблице 4.1 даны значения :

Таблица 4.1 - Значения

Угол , град	0	10	20	30	40	45	50	60
град	0	0.03	0.03	0.10	0.15	0.19	0.23	0.35

4.2.2.3 Расчет зональной КСС верхнего призматического элемента

Рассмотрим рисунок 4.4. Приняв, постоянными угловые размеры светящего тела в пределах , расчет размеров ЭО кольцевой призматической зоны тороидального светящего тела ведется для ее средней точки по формулам:

Расчет площади светлой части второй преломляющей поверхности элемента ведется с помощью коэффициента заполнения зоны. Зная координаты точек и , ограничивающие вторую грань, можно рассчитать площадь части поверхности второй грани:

где - координата средней точки второй грани.

Из рисунка 4.4 находим следующие отношения:



Коэффициент заполнения зоны находится как отношение величины к .

Если то соотношения для выглядят следующим образом:

Рис. 4.4 Угловые размеры и тороидального светящего тела.

Если то соотношения для выглядят следующим образом:

Рис. 4.5 Расчет площади призматической зоны и угла

Площадь светлой части, создаваемой призматической зоной по направлению , может быть рассчитана по следующей формуле:

Так как площадь светлой части рассчитывается с помощью эквивалентного ЭО, ее яркость постоянна и равна яркости , умноженной на коэффициент пропускания призмы . Яркость светлой части определяется формулой:



Зная площадь изображения и его яркость, можно рассчитать силу света, посылаемую призматической зоной по направлению :

Из рисунка 4.5 находится угол

где

Выражение КСС для верхнего призматического элемента в общем виде может быть записано следующим образом:

4.2.2.4 Расчет зональной КСС нижнего призматического элемента

Рассмотрим рисунок 4.6. Приняв, постоянными угловые размеры светящего тела в пределах , расчет размеров ЭО кольцевой призматической зоны тороидального светящего тела ведется для ее средней точки по формулам:

Рис. 4.6 Размеры и тороидального светящего тела.

Расчет площади светлой части второй преломляющей поверхности элемента ведется с помощью коэффициента заполнения зоны. Зная координаты точек и , ограничивающих вторую грань, можно рассчитать площадь части поверхности второй грани:

где - координата средней точки второй грани.

Из рисунка 4.6 находим следующие отношения:

Формулы для коэффициент заполнения зоны будут точно такими же, что и для верхнего призматического элемента.

Площадь светлой части, создаваемой призматической зоной по направлению , может быть рассчитана по следующей формуле:

Так как площадь светлой части рассчитывается с помощью эквивалентного ЭО, ее яркость постоянна и равна яркости , умноженной на коэффициент пропускания призмы . Яркость светлой части определяется формулой:

Зная площадь изображения и его яркость, можно рассчитать силу света, посылаемую призматической зоной по направлению :

Из рисунка 4.7 находится угол

где

Выражение КСС для верхнего призматического элемента в общем виде может быть записано следующим образом:

Рис. 4.7 Расчет площади призматической зоны и угла

5. Составление программы и расчет импульсного светосигнального прибора

На основе материала, изложенного в разделах 3 и 4, составлена программа для расчета светооптической системы импульсного светосигнального маяка. Данная программа представляет собой математическую модель линзы огня в среде MATHCAD 14.

5.1 Расчет с помощью программы MathCAD

MATHCAD - это интеллектуальная компьютерная виртуальная среда, которая предоставляет большой набор инструментов для решения широкого круга математических задач и поддерживает различные способы анализа и визуализации данных.

В отличие от другого технического программного обеспечения, MATHCAD осуществляет математические преобразования, так же, как это делает человек. Внешне это выглядит подобно работе с карандашом и бумагой. Интерфейс программы предлагает на экране рабочее пространство (worksheet), на котором можно увидеть уравнения, параметры графика, функции и аннотации. Математические выражения в MATHCAD'e выглядят так же, как в тексте. Единственное различие в том, что уравнения и графики являются "живыми". При изменении любых параметров, переменной, или уравнения, и MATHCAD повторно и немедленно решит задачи рабочего пространства с новыми данными.

Математическая модель линзы импульсного маяка связывает оптический и светотехнический расчеты и позволяет наглядно оценить влияние различных факторов на конечный результат.

Листинг программы приведен в приложении 1.

Для оценки влияния различных факторов и окончательного выбора профиля линзы огня кругового обзора проведены многовариантные расчеты.

В результате расчетов определена конфигурация линзы, которая представляет собой сужающийся к верху колпак. На наружной поверхности колпака отпрессованы шесть верхних призматических кольцевых элементов и семь нижних призматических кольцевых элементов.

Координаты характерных точек профиля нижних призматических элементов занесены в таблицу 5.1, а координаты характерных точек профиля верхних призматических элементов - в таблицу 5.2.

Таблица 5.1 Координаты характерных точек профиля нижних призматических элементов

X, мм	48,9	51,8	48,6	51,5	48,3	51,1	47,9	50,5	47,5	49,8
Z, мм	-31,7	-28,9	-27,9	-24,9	-24,0	-20,6	-19,8	-15,9	-15,3	-10,7

X, мм	47,1	49,1	46,6	47,3	46,2
Z, мм	-10,4	- 4,8	- 4,6	0	0.1

Таблица 5.2 Координаты характерных точек профиля верхних призматических элементов

X, мм	45,6	48,3	44,8	48,2	44,4	47,6	44,0	47,1	43,6
Z, мм	6,7	7,1	15,5	16,4	20,8	21,8	25,1	26,4	29,0

X, мм	46,6	43,3	46,3	43,0
Z, мм	30,3	32,5	33,9	35,8

5.2 Расчет с помощью программы Trace Pro

Построение трехмерной модели линзы импульсного маяка

Чтобы проверить правильность расчета необходимо построить линзу с параметрами, полученными в таблице 2.1. Для получения профиля линзы воспользуемся AutoCAD. Для начала нанесем характерные точки профилей нижних и верхних призматических элементов, координаты которых представлены в таблицах 5.1 и 5.2.

Рис. 5.1 Характерные точки профилей верхних и нижних призматических элементов

После того, как мы нанесем все точки профилей призматических элементов, соединим их и достроим профиль линзы с учетом других параметров (фокусное расстояние, технологический угол и др.). В итоге получаем законченный профиль с реальными геометрическими параметрами, рис. 5.2

Рис.5.2 Вид профиля линзы

Нам необходимо построить трехмерный профиль отражателя. Для этого сначала строим профиль отражателя полилинией для заданных координат точек (рис. 5.3)



Рис. 5.3 Вид профиля линзы в AutoCAD и выбор команды рисования `Полилиния'

Потом открываем панель Моделирование в режиме 3D моделирования и выбираем из списка команд `Выдавить' команду `Вращать'. (рис. 5.4).

Рис. 5.4 Открытие панели Моделирование, выбор команды `Выдавить' и создание 3D объекта путем вращения вокруг заданной оси

Задаем необходимые параметры: начальную и конечную точки вращения (это будет ось вращения), а также угол вращения - 360 град. В результате получаем трехмерный объект, который можно использовать в Trace Pro для расчета КСС (рис.5.5).

Рис. 5.5 3D модель цилиндрической линзы в AutoCAD

Для переноса в Trace Pro сохраняем модель в формате, который понимает Trace Pro (например, ACIS). Переходим к расчету КСС в Trace Pro

Расчет КСС в программе Trace Pro

Открываем полученную модель цилиндрической линзы в Trace Pro (рис. 5.6).

Рис. 5.6 3D модель цилиндрической линзы в Trace Pro

Назначаем перенесенной модели цилиндрической линзы параметры материала. Для этого щелкаем на линзе правой кнопкой мышки, открываем ее свойства и во вкладке Material выбираем материал с заданными параметрами (коэффициент преломления, коэффициент пропускания) (рис. 5.7).

Рис. 5.7 Свойства линзы

Таким образом, назначили линзе свойства стекла с коэффициентом преломления 1.53. Рассмотрим источник света. Источником света назначаем тор, сделанный также в AutoCAD'е и перенесенный в Trace Pro. ИС помещен в фокус цилиндрической линзы и его геометрические параметры соответствуют размерам разрядного столба, заданным в ТЗ. Для источника необходимо в меню Properties (Свойства) во вкладке Surface (Поверхности) назначить свойства поверхности: выберем в выпадающем меню Catalog (Каталог) параметр Default (По умолчанию), а в выпадающем меню Name (Название) - Perfect Absorber (Абсолютный поглотитель - коэффициент поглощения равен 1). Затем переходим во вкладку Surface Source (Поверхность источника) и также задаем необходимые параметры. (рис. 5.8)



Рис. 5.8 Вид вкладки Surface Source

Эта вкладка имеет следующие поля, очень важные для светотехнического расчета.

1. Source Type (Тип источника). Может принимать значения:

-Flux (Поток) - в зависимости от того, в каких единицах - фотометрических или радиометрических - решается задача, имеет размерность люмены или ватты;

-Irradiance (Яркость) - в данном контексте это поверхностная плотность потока излучения, измеряемая в люксах или Вт/м2.

-BlackBody (Черное тело) - излучение черного тела;

-GrayBody (Серое тело) - излучение серого тела;

2. Flux (Поток) - собственно величина параметра, тип которого определен в предыдущем пункте;

3. Total Rays (Всего лучей) - число лучей, испускаемых поверхностью. Эта величина никак не связана с мощностью, т.е. можно большую мощность передать малым числом лучей и наоборот;

4. Total Power (Полная мощность) - вычисляемый параметр, характеризующий мощность источника. Он имеет смысл в ситуации, когда имеется излучение с различными длинами волн, а также, если назначается плотность излучения. Тогда с учетом площади источника рассчитывается мощность, отдаваемая поверхностью. Для этого применяется кнопка Calculate Power (Рассчитать мощность);

5. Wave (Длина волны), Weight (Весовой коэффициент), Power (Мощность) - параметры излучения.

6. Angular Distribution (Угловое распределение) - тип распределения мощности излучения в пространстве. Может принимать значения:

- Lambertian (Ламбертова поверхность)

- Normal to Surface (Нормально поверхности)

- Surface Absorptance (Поверхностное поглощение)

- Uniform (Однородное).

Выбираем в выпадающем меню Source Type параметр Flux. В поле Total Rays введем 1000, исходя из того, что меньшее число лучей может внести существенную погрешность расчета, а большее - слишком сильно увеличить время расчета. В поле Angular Distribution установим значение Lambertian.

Перед тем как начать вычислительный процесс, необходимо настроить параметры трассировки, подав команду Raytrace Options. (рис. 5.9)

Рис. 5.9 Вкладка Raytrace Options (Настройка трассировки)

Для настройки перейдем на вкладку Options (Настройки). Активируем опцию Ray Splitting (Расщепление луча), это нужно для более точного воспроизведений явлений рассеяния. В поле Radiometric Units выбираем параметр Photometric (Фотометрический). Переходим к запуску расчетов. Результат расчета показан ниже на рис. 5.9

Вывод: В результате была создана и подготовлена геометрическая модель в AutoCAD'е, определены оптические характеристики отражателя. Был создан, перенесен в Trace Pro ИС, были определены его оптические свойства (коэффициент поглощения).

5.3 Расчет с помощью программы CODE V

Optical Research Associates (ORA) является лидером в области компьютерного проектирования оптических систем. Программа CODE V, разрабатываемая в компании уже на протяжении нескольких десятилетий, обладает самым обширным арсеналом средств для синтеза, анализа и оптимизации оптических систем. Результаты, полученные с помощью CODE V достаточно надежны.

Описание данных

1. Ввод данных. (Lens Data Manager (LDM , System Data)

При загрузке программы по умолчанию загружается New Lens Wizard - редактор для создания новой оптической системы. Перед нами на экране окно Lens Data Manager, в котором находятся такие конструктивные данные, как радиусы R, толщины оптических элементов и промежутки d, названия материалов (стекол, кристаллов). Здесь определяется местоположение апертурной диафрагмы, тип поверхности, закон прохождения лучей через поверхность (преломление, отражение…).

R и d могут быть постоянными, варьируемыми (при оптимизации) или расчетными (например SO , SG). Для того, чтобы установить такой признак, необходимо выделить нужную ячейку, кликнуть правой кнопкой мыши, зайти в Surface Properties и выбрать там тип величины: постоянная - Frozen; переменная - Variable; рассчитываемая - Solve- Edit, и здесь же выбрать нужную характеристику, например, для SG - Paraxial Image Distance.

По умолчанию на всех поверхностях устанавливается Refract Mode - это означает, что поверхность преломляющая. Чтобы задать отражение на поверхности необходимо выделить ячейку, кликнуть правой кнопкой, зайти в Surface Properties, установить тип Reflect, здесь же при необходимости можно задать характеристики зеркала.

В колонке Glass задается материал: стекло или кристалл, из имеющихся в СodeV каталогов стекол. Российского каталога стекла в программе нет. Поэтому, если есть необходимость рассчитать систему с такими стеклами, можно воспользоваться возможностью создания личного каталога стекла. Для этого в меню Lens выбираем Add Private Catalog Glass и далее Regular. Здесь заносится название стекла, рабочие длины волн и соответствующие показатели преломления. При занесении стекла из личного каталога в LDM название стекла необходимо указать в '…'.

Например: ' K8 '.

Показатели преломления стекол каталога Schott в CodeV и в Opal незначительно отличаются.

Основные характеристики оптической системы указываются в меню Lens < System Data:

Pupil - характеристики зрачка. В зависимости от условий работы системы можно задавать переднюю апертуру NA, заднюю апертуру NA', диаметр входного зрачка, относительное отверстие.

Wavelengths - длины волн, веса, основная длина волны.

Field (поля) - тип поля: высота объекта, параксиальная высота изображения, реальная высота изображения, угловая величина предмета. Можно задать одну или несколько точек поля. Координаты задаются в линейных или угловых единицах. Можно задать веса. System solves (расчеты в системе, параметры удержания) - можно задать расчет параксиального изображения, можно задать расчет и удержание величины масштаба (увеличения).

System setting (установки системы) - здесь можно указать название системы (не имя файла), которое будет далее фигурировать в выводе данных расчета и анализа, единицы измерения для конструктивных и других параметров, и здесь же показаны атмосферные условия (давление, температура) среды, в которой система работает. Изменить атмосферные условия можно в меню Lens< Environmental Change.

Можно задавать характеристики для специфических расчетов астигматов, афокалов, систем с учетом поляризации, систем с аподизацией зрачка, проводить исследования по глубине резкости.

Чтобы обернуть систему в меню Edit надо выбрать Flip, чтобы масштабировать - Scale.

Чтобы задать децентрировку поверхности необходимо в меню Lens<Surface properties<Decenters, указать децентрировку новой системы координат, связанной с децентрированной поверхностью, относительно предыдущей. Необходимо выбрать тип децентрировки, и задать величины X-Decenter, Y-Decenter, Z-Decenter - это координаты центра О новой децентрированной системы координат в предыдущей системе, а так же Alfa Tilt, Beta Tilt, Gamma Tilt - углы поворота децентрированной системы относительно предыдущей вокруг осей Х, Y, Z. Таким образом будет установлена новая система координат, все последующие поверхности будут задаваться в этой системе. Значения d (промежутков) есть проекция на ось Z. Если в оптической системе децентрирована только одна поверхность необходимо на следующей поверхности вернуться к первоначальной системе координат.

Для сохранения новой оптической системы войдите в меню File<Save Lens As и введите новое имя системы латинскими буквами.

Для сохранения изменений в системе выберите в меню File<Save.

Программа CODE V позволяет открывать окно LDM и работать только с одной оптической системой. Если необходимо открыть другую систему, текущая закрывается. Если необходимо создать новую систему, которой нет в вашем каталоге, (а вы в это время уже работаете

Перемещение и поворот в плоскости YOZ y1, z1 - координаты децентрированной системы y1=z1=d, A=ATilt в CODE V), войдите в меню File - New и вы запустите New Lens Wizard, где можно задать основные характеристики системы (которые будут в System Data), а потом задать в LDM конструктивные данные.

2. Просмотр данных оптической системы (List Lens Data).

Для просмотра основных данных оптической системы в меню Display-выбрать List Lens Data. Здесь находятся конструктивные данные, которые вы вводите в LDM и System Data и расчетные параксиальные характеристики:

EFL- f

BFL - S'F'

FFL - SF

FNO - 1/относительное отверстие (для SO=?)

IMG DIS - расстояние от последней поверхности до плоскости

изображения SG

OBG DIS - расстояние от плоскости предмета до первой поверхности

SO

RED - увеличение

OAL - расстояние от первой поверхности до диафрагмы

TT- длина оптической системы +передний и задний отрезки

FNO - для оптической системы, где SO и SG??

HT - высота параксиального изображения YG

THI - расстояние от последней поверхности до плоскости параксиального изображенения

ANG - угловые размеры параксиального изображения

DIA - диаметр входного (выходного) зрачка

THI - положение зрачка от 1-й поверхности

3. Прорисовка оптической системы и хода лучей.

В меню Display выбрать View Lens и задать необходимые параметры для прорисовки системы и хода лучей.

4. Работа с патентами.

В меню File выбрать New - Patent Lens. (Другим способом можно зайти в меню Tools<Patent Lens Search). Попадаем в каталог патентов, всего 2400.

Выбрав какой-либо патент, можно посмотреть характеристики системы при помощи кнопки «Next». Если система вас устраивает, нажмите «Done» и окажитесь в Lens Data Manager. Выбранная система приведена к F=1mm.

Необходимо ее промасштабировать в соответствии с ее реальным фокусом, в патенте он указан FOV.

Работая с каталогом патентов, можно заранее ограничить число патентов, используя «Filter». Нажав кнопку «Filter», зададим интересующие нас характеристики объектива (размер поля, область спектра, апертуру, фокус, дисторсию и т.д.). После этого в каталоге останутся только те патенты, которые удовлетворяют нашим требованиям. Далее, в загруженном нами CODE V будут только патенты, выбранные фильтром. Чтобы вернутся к полному списку патентов CODE V необходимо перезагрузить.

Анализ

1. Трассировка параксиальных лучей.

(Analysis<Diagnostics<Paraxial Ray Trace)

В программе CODE V два луча определены как параксиальные.

Это апертурный луч осевого пучка - Marginal Ray и главный луч крайнего полевого пучка - Chief Ray. Таблично выводятся высоты пересечения лучей с поверхностями - HMX, HCX, углы падения на поверхность и углы после преломления соответственно N*IMX, N*ICX, UMX, UCX.

2. Трассировка реальных лучей.

(Analysis<Diagnostics<Real Ray Trace)

Из одной точки поля можно задать 5 лучей: осевой, два сагиттальных и два меридиональных, идущих по максимальному апертурному углу. В табличном виде для каждого луча выводятся X, Y, Z - координаты пересечения луча с поверхностью, tanx, tany, tanz - углы между лучом и осями Х, Y, Z. Length - длина луча между поверхностями.

3. Суммы Зейделя ( аберрации третьего порядка - Third Order Aberation).

В меню Analysis< Third Order Aberation

Здесь приводятся значения сумм Зейделя по поверхностям и в плоскости изображения.

SA - S1 - первичная сферическая аберрация

TCO - SII - первичная кома

TAS, SAS - SIII - первичный астигматизм

PTP - SIV - кривизна

DST - SV - первичная дисторсия

AX, LAT - хроматические суммы, продольный и поперечный

астигматизм

PTZ - размытость Петцваля

Все значения рассчитываются для последнего поля заданного в

System Data

4. Аберрации главных лучей

В меню Analysis выбрать First/Third Order Aberation, здесь рассчитывается дисторсия (%), астигматические отрезки для Х-Focus, Y-Focus (Z'M , Z'S) - для всех пучков.

В меню Analysis выбрать Diagnostics< Field Curves для просмотра кривых аберраций главных лучей Х-Focus, Y-Focus, дисторсии.

5. Геометрические аберрации лучей

В меню Analysis выбрать First/Third Order Aberation . Луч определяется по его координатам на зрачке, количество лучей можно изменять. Геометрические аберрации обозначены как DeltaX и DeltaY, и волновая аберрация OPD для каждого луча. Вычисления представлены для всех пучков, заданных в System Data.

Кривые геометрических аберраций лучей можно увидеть, выбрав Analysis<Diagnostics<Ray Aberration Curves.

Кривые поперечного хроматизма - Analysis<Diagnostics<Lateral Color Plot. (Short - Long (короткая л с длинной , короткая с основной).

Если выбрать «General Listing» И, то будет и текстовая информация.

6. Анализ волнового фронта. (Wavefront analysis)

В Меню Analysis выбрать Diffraction<Wavefront analysis. Для более полного анализа лучше выбрать Nominal Focus, тогда будем иметь данные RMS (CKB) для плоскости параксиального изображения, RMS и SHTREL в плоскости наилучшей установки для каждой точки поля (Best Individual Focus), RMS и SHTREL для композиционной плоскости наилучшей установки для всех заданных точек поля (Best Composite Focus) (это СКВ в ОПАЛ). Composite RMS обобщено для всех пучков. Best Composite Focus -это и есть плоскость наилучшей установки, с которой мы имеем дело в ОПАЛ (DS').

Монохроматическое RMS совпадает с СКВ в ОПАЛ, полихроматическое RMS несколько отличаются от СКВ в ОПАЛ.

Т. к. в CODEV полихроматическое RMS расчитывается по другой формуле, а так же длина волны в которой выражается СКВ - это основная л, а RMS выражается в ло, которая не равна основной длине волны, это некая взвешенная интегрированная величина от заданных длин волн и вычисляется по определенной формуле. Формулы вычисления полихроматического RMS и ло приведены в Reference Manual (Volum II, p 5-73).

Если при расчете Wavefront Analysis выбрать «Applay Focus Shift», то в дальнейших расчетах, например, в Pupil Map (карта зрачка) все значения коэффициентов Цернике и RMS будут даны для плоскости наилучшей установки. Кроме того, в LDM в колонке толщин для Image будет указан Best Composite Focus - плоскость наилучшей установки.

Чтобы сразу попасть в таблицу Wavefront Analysis для Best Composite Focus нажмите кнопку

7. Карта зрачка (Pupil Map)

В меню Analysis выбрать Diagnostic<Pupil Map. Здесь можно посмотреть представление волнового фронта для всех точек поля и каждой длины волны.

Дается значение RMS, RMS после операции «Tilt» (это особое преобразование волнового фронта с целью минимизировать наклон для всех точек поля, при этом С11 - значительно уменьшается, изменяются и другие коэффициенты), RMS после «Tilt» в плоскости наилучшей установки (tilt/focus). В Опале все значения СКВ и коэффициентов Цернике даны после проведения операции «Tilt» и в плоскости наилучшей установки. Текст сопровождается графиками интерферограмм и волновых фронтов.

Если в меню Pupil Map выбрать Coefficient Zernike, задать разложение волнового фронта по Цернике, при этом лучи должны быть привязаны к входному зрачку - Fit to entrance Pupil (как в ОПАЛ), то будут рассчитаны 36 коэффициентов Цернике (которые совпадают со значениями коэффициентов в ОПАЛ (Opal)) и по ним рассчитано полиномиальное RMS (=СКВ, рассчитаному по коэффициентам в ОПАЛ в меню «Анализ Опт»/ «Коэффициенты Цернике»), RMS (tilt removed) =CКВ в ОПАЛ (Opal).

Коэффициенты Цернике, представленные в CODE V соответствуют волновому фронту, после проведения операции «Tilt», поэтому они совпадают с ОПАЛ и не совпадают с коэффициентами Цернике в меню «Анализ Опт» «Коэффициенты Цернике».

8. Анализ ЧКХ. (MTF )

В меню Analysis<Diffraction< MTF проводится расчет и анализ ЧКХ.

Необходимые требования к построению ЧКХ задаются в закладке Grafics. Если есть необходимость иметь ЧКХ для разных плоскостей по глубине резкости, необходимо в System data заполнить опцию «Throught Focus» (через фокус). (Если в LDM установлена плоскость наилучшей установки, то ей соответствует Focus=0.) При расчете ЧКХ в «text» будут расчитаны данные для всех заданных Focus Position, чтобы были прочерчены ЧКХ для всех позиций надо в Grafics в поле At focus Position задать Shift Focus (сдвиг плоскости по глубине резкости) в соответствии с тем, что задано в опции «Throught Focus». На каждом графике, соответствующем одной позиции фокуса будут построены кривые для всех точек поля. Для конкретного изучения кривой ЧКХ какой-нибудь точки поля надо ограничится одной плоскостью по глубине резкости и «выключить» Overlay field (переналожение полей).

В CODE V есть возможность построить фокусировочные кривые в пределах заданной глубины резкости. Для этого необходимо:

- включить Overlay field

- включить Plot MTFvs focus в поле Focus plot

- задать необходимую частоту (лин./мм) friequency.

9. Анализ изображения при использовании освещения различной степени когерентности. (1D Partial Coherence,

2D Partial Coherence)

В меню Analysis>Diffraction>1D Particular Coherence (или 2D Particular coherence).

1D Partial Coherence

Исследование одномерной структуры при различной степени когерентности излучения. Выберите Analysis>Diffraction>1DParticular Coherence меню. Здесь проводится анализ линейчатой структуры в частично-когерентном свете. Для минимума исследований необходимо задать:

В закладке Source: задать Relative NA of condencer (относительная апертура, степень заполнения зрачка, определяющая степень когерентности:

0<NA<1 - частично-когерентный свет, NA>1 - некогерентный свет)

В закладке Computation: включить Peak Normalization.

В закладке 1D Object: задать необходимые величины Number of bar (число элементов), Width of one bar (ширина элемента) Period of bar (период, по умолчанию - ширина х2).