Доклад 10-12 лис

Электронная оптика — дисциплина, занимающаяся вопросами
формирования, фокусировки и транспортировки пучков заряженных частиц,
в частности электронов, в магнитных и электрических полях. Практическое
применение — формирование пучка электронов, и управление им, например,
в электронно-лучевых трубках.
Электронная оптика изучает движение электронов в электрических и
магнитных полях. В силу того, что поведение электронных пучков в
электромагнитных полях напоминает ход световых лучей в прозрачных
средах, рассматриваемая теория приобрела характерное название –
«электронная оптика».
Одной из разновидностью электронной оптики, является компьютерная
оптика. Далее наиболее подробно раскроем компьютерную оптику.
Проникновение компьютеров в различные области человеческой
деятельности широко известно. Существует термин «компьютерная наука».
В широком смысле слова «компьютерная оптика» - это компьютеры в оптике
и оптика в компьютерах. Сюда относятся численные решения задачи
дифракции, системы автоматизированного проектирования (САПР) и гибкие
автоматизированные производства (ГАП) оптических систем, обработка
изображений, оптический вычислительный эксперимент, оптические
процессоры и запоминающие устройства, цифровая голография. В этой
работе, однако, авторы хотели показать принципиально новые возможности
применения компьютеров для создания широкого класса оптических
элементов с ранее недостижимыми функциональными свойствами.
Компьютерная оптика - это получение на основе применения ЭВМ
оптических элементов, осуществляющих требуемое преобразование
волновых полей.
Компьютерная оптика расширяет гамму конструктивных элементов
оптических систем. Помимо традиционных линз, призм и зеркал появляются
оптические элементы с более широкими функциональными возможностями.
Типичным представителем семейства элементов компьютерной оптики

является киноформ. Сочетание киноформных корректоров с обычными
линзами позволяет, например, проектировать оптические системы со
слабыми сферическими аберрациями.
Имеются и другие примеры киноформных оптических элементов.
Однако было бы совершенно неправильно сводить задачи компьютерной
оптики к синтезу киноформа.
Применение элементов компьютерной оптики открывает совершенно
новые возможности в оптике, особенно в когерентной. При этом важно
учесть, что элементы компьютерной оптики являются плоскими и,
следовательно, обладают меньшими габаритами и весом по сравнению с
обычными оптическими элементами.
Термин «компьютерная оптика» нов и поэтому требует пояснений.
Сами авторы на протяжении ряда лет для обозначения оптических элементов,
синтезируемых на ЭВМ, использовали термин "плоская оптика", причем он в
достаточной мере укоренился. Однако указанный термин не отражает роли
компьютера в создании оптических элементов, а лишь выражает их
массогабаритные свойства и поэтому является достаточно узким. Кроме того,
в последнее время возникают идеи нанесения фазового рельефа не на
плоскую, а на сферическую или еще более сложную подложку и тогда
термин «плоская оптика» становится неприемлемым.
Существо подхода к созданию элементов компьютерной оптики
состоит в следующем. Оптический элемент, работающий на пропускание или
на отражение излучения, в общем случае характеризуется амплитудно-
фазовой функцией (пропускания или отражения соответственно). Эта
характеристика должна быть определена, исходя из решаемой задачи
преобразования волнового поля. Для простейших случаев может быть
известно ее аналитическое выражение, например, задана фазовая функция
сферической или цилиндрической линзы. В общем случае требуется
применение ЭВМ для определения характеристики оптического элемента.
При этом ЭВМ может использоваться как для численных расчетов, так и для

решения обратных задач. Например, при создании оптических элементов,
реализующих наборы ортогональных базисных функций, требуется
рассчитывать результат интерференции, соответствующий базисной функции
с плоской опорной волной, то есть математическую голограмму, и таким
образом решать на ЭВМ прямую задачу. А при создании фокусаторов
излучения фазовая функция фокусатора определяется из численного решения
обратной задачи. Таким образом, на этапе проектирования компьютер
используется для определения характеристики создаваемого оптического
элемента. После того, как указанная характеристика сформирована в памяти
ЭВМ, возникает задача переноса ее на физическую среду с помощью
программно-управляемого технологического автомата. На этом этапе
компьютер выполняет функции управления технологическим автоматом.
Если для управления делительной машиной, изготавливающей
дифракционные решетки, применять компьютер нет необходимости в силу
простоты траектории резца, то уже при изготовлении зонной пластинки
алгоритм управления толщиной колец является достаточно сложным и
требует применения цифрового управления. Еще сложнее обстоит дело при
изготовлении плоских линз: не только радиусы колец, но и фазовый профиль
должен быть программируемым. Вручную изготовить подобные оптические
элементы практически невозможно. Итак, на этапе изготовления компьютер
используется для управления программируемым технологическим
автоматом. После того, как оптический элемент создан, его необходимо
экспериментально исследовать и аттестовать. Экспериментальные данные
при этом регистрируются, как правило, в виде различного рода
распределений интенсивности света: теневых картин, интерферограмм,
голограмм. При этом компьютер необходим для обработки, отображения и
интерпретации экспериментальных данных, поскольку визуальные
наблюдения и ручная обработка не позволяют получить количественных
результатов. Необходимо также отметить, что в компьютерной оптике
перспективным методом исследования является вычислительный

эксперимент, в котором ключевую роль играет компьютер. Процесс создания
элементов компьютерной оптики носит сложный итерационный характер и
на компьютер возлагается также функция обеспечения диалога с
проектировщиком, технологом и исследователем. Появление компьютерной
оптики как самостоятельного научного направления на стыке квантовой
электроники, вычислительной математики и информатики во многом
стимулировалось работами по цифровой голографии. Как известно, цифровая
голография - это получение голограмм и восстановление изображений с
физических голограмм при помощи ЭВМ, оснащенных устройствами ввода-
вывода и специализированным математическим обеспечением.
В компьютерной оптике можно выделить следующие направления:
- решение обратных задач теории дифракции для определения
характеристик синтезируемых оптических элементов;
- создание новых технологий записи на физическую среду
синтезированных на ЭВМ оптических элементов для различных диапазонов
волн электромагнитного излучения;
- исследование погрешностей и аберраций синтезированных
оптических элементов;
- автоматизация экспериментального исследования и проектирования
элементов компьютерной оптики;
- создание фокусаторов излучения;
- создание оптических элементов для анализа и формирования попереч-
но-модового состава излучения;
- создание корректоров волновых фронтов;
- синтез пространственных фильтров для оптических систем обработки
информации и оптико-цифровых процессоров;
- создание киноформных линз и «безаберрационных» объективов;
- решение задач лазерной технологии, медицины, передачи
информации и др. на основе применения элементов компьютерной оптики.
Дадим краткий анализ перечисленных направлений.

Проблемы автоматизации экспериментальных исследований и
проектирования в компьютерной оптике
Создание элементов плоской оптики с помощью ЭВМ - процесс
сложный. Он включает в себя решение некорректной обратной задачи,
требует применения оптико-электронной аппаратуры регистрации
изображений и связан с использованием различных технологий получения
фазового рельефа. Каждый из этих этапов существенно влияет на качество
изготовляемого оптического элемента и заранее трудно предсказать точные
значения его характеристик, таких, например, как толщина линии
фокусировки и энергетическая эффективность фокусатора или
дифракционная эффективность оптического элемента, согласованного с
набором поперечных мод. В этой связи процесс создания оптических
элементов с помощью ЭВМ становится итерационным: исследуя
характеристики синтезируемого элемента на различных этапах его
изготовления, мы вырабатываем рекомендации к их улучшению. Эта
ситуация типична для процесса проектирования вообще и для
автоматизированного проектирования в частности. Как видим, важную роль
здесь играет исследование полученных характеристик оптических элементов,
основанное на проведении экспериментов. В компьютерной оптике требуется
проводить два вида экспериментов: вычислительные и натурные, причем и
тот, и другой требуют применения ЭВМ, в первом случае по определению, а
во втором в силу высокой информативности объекта исследования и
сложности обработки оптических изображений.
Сначала о вычислительном эксперименте в компьютерной оптике. Он
состоит в следующем. Пусть в результате решения обратной задачи
фокусировки получена фазовая функция фокусатора и записана в виде
массива чисел в памяти ЭВМ. Для того, чтобы убедиться в успешности
решения обратной задачи и прогнозировать характеристики создаваемого
Фокусатора, не обязательно сразу изготавливать его в виде оптического
элемента и проводить натурный эксперимент в оптической системе. Более

того, натурный эксперимент позволит исследовать характеристики
оптического элемента, полученные в результате совместного действия всех
этапов его изготовления, включая и технологию. Конечно, мы убедимся в
работоспособности (или неработоспособности) полученного фокусатора, но
провести тонкое исследование распределения интенсивности излучения в
фокальной области в зависимости от фазовой функции, полученной в
результате решения обратной задачи, мы не сможем. Чтобы получить
интересующие нас данные, следует провести эксперимент с массивом чисел,
описывающих синтезированную фазовую функцию фокусатора, то есть
математически решить задачу дифракции излучения на соответствующем
фокусаторе. Причем результаты следует получить не в виде миллионов
чисел, от которых пестрит в глазах, а в виде, привычном для оптика -
экспериментатора, а это -полутоновые распределения яркости на экране
телевизионной трубки, графики кривых, компактные таблицы обработанных
экспериментальных данных. Для решаемой задачи очень желательно также
представить трехмерные распределения в изометрии и в цвете. Отсюда
следует, что компьютер, предназначенный для проведения вычислительных
экспериментов, должен быть оборудован средствами машинной графики и
визуализации изображений графопостроителями, графическими,
полутоновыми и цветными дисплеями. И именно сочетание математических
методов и программ решения разнообразных задач дифракции со средствами
визуализации изображений позволяет производить вычислительные
эксперименты в компьютерной оптике. Результаты вычислительного
эксперимента позволяют оптимизировать решение обратной задачи
фокусировки, прогнозировать характеристики синтезируемых оптических
элементов.
Еще одна проблема автоматизации - это создание банка данных,
ориентированного на задачи компьютерной оптики. К сегодняшнему дню
создано уже несколько десятков различных работоспособных элементов
компьютерной оптики. В системе автоматизированного проектирования

элементов компьютерной оптики должна иметься не только текстовая
информация о существующих аналогах. В ней должны храниться расчетные
формулы, массивы двумерных данных - фазовые функции элементов и
другие необходимые сведения, относящиеся к данной предметной области.
Создание такой базы данных, видимо, потребует разработки специфичной
системы управления базой данных и входного языка проектировщика.
Фокусаторы излучения
Термин «фокусатор» впервые введен в 1981 г. в работе и укоренился
среди специалистов. Более того, фокусаторами иногда называют все
элементы компьютерной оптики, что, конечно же, неправильно.
Оптические элементы этого класса впервые созданы в 1982 г. и уже к
настоящему времени позволили решить целый ряд практически интересных
задач, связанных с применением градиентных волоконных световодов.
Задача анализа и формирования поперечно-модового состава лазерного
излучения может быть успешно решена с помощью синтезированных на
ЭВМ элементов плоской оптики. Каждой моде соответствует известная
математическая функция двух переменных V). Компьютер формирует в
своей памяти двумерный массив чисел, соответствующий моде с номером к,
а фотопостроитель переводит числа в значения оптической плотности на
фотоматериале. В результате получаем набор плоских оптических элементов,
соответствующих различным модовым функциям. Используя их как
оптические элементы, можно построить прибор для анализа и формирования
поперечно-модового состава излучения.
Таким образом компьютерная оптика восполняет существующий
пробел путем создания искусственных эталонов физических величин по их
математическим моделям. Вполне возможно, что в дальнейшем будут
открыты новые физические явления и созданы соответствующие приборы
без применения компьютеров. Однако это уже ни в коей мере не повлияет на
оценку роли компьютерной оптики в задаче анализа и формирования
поперечно-модового состава излучения.

Создание корректоров волновых фронтов
Огромные возможности открывает компьютерная оптика для
получения оптических элементов, позволяющих сформировать волновой
фронт заданной формы. К числу таких элементов принадлежат компенсаторы
[12] -элементы, преобразующие плоский или сферический волновой фронт в
асферический произвольного порядка. Основное назначение компенсаторов -
контроль оптических поверхностей. При этом компенсатор формирует
эталонный волновой фронт для интерферометри-ческого исследования
изготавливаемой оптической поверхности или же играет роль "нулевой
линзы", сводя асферическую задачу к сферической и позволяя использовать
теневой метод контроля.
К настоящему времени с использованием специальных
технологических автоматов создан целый ряд компенсаторов, в основном для
контроля сферических поверхностей. Создание компенсаторов для асферики
остается практически нерешенной проблемой и требует прежде всего
создания нового поколения прецизионных технологических автоматов с
программируемой траекторией движения исполнительного элемента.
Компьютерная оптика возникла из потребностей целого ряда областей
деятельности человека, прежде всего из задач физики, оптического
приборостроения, лазерной технологии, волоконной связи и т.п. Поэтому
вполне естественно, что создаваемые элементы компьютерной оптики
немедленно используются в решении различного рода задач. Применение
элементов компьютерной оптики может оказать революционизирующее
воздействие, в частности, на лазерную технологию. Применение фокусаторов
позволяет производить одномоментные операции на глазе, появляются
совершенно новые технологии обработки материалов в промышленности.
Огромные перспективы имеет применение оптических элементов для анализа
и формирования поперечно-модового состава в волоконно-оптических
линиях связи и в датчиковой аппаратуре.

Роль компьютеров в оптике далеко не исчерпывается рассмотренными
задачами синтеза элементов плоской оптики. В отборе материалов для этой
статьи естественным образом сказались научные интересы авторов и
желание осветить революционную роль компьютера в древнейшей науке -
оптике. Однако воздействие ЭВМ на оптику происходит по множеству
направлений. Во-первых, сформировалась вычислительная оптика как
отрасль оптического приборостроения, решающая задачу проектирования на
основе применения ЭВМ оптических систем, удовлетворяющих требованиям
к качеству формируемого изображения. Интересно, что вычислительная
оптика возникла задолго до появления ЭВМ в задачах создания
высококачественных объективов для фотографии. Применение ЭВМ в
вычислительной оптике позволило поставить вопрос об автоматизации
проектирования оптических систем различного назначения: астрономических
телескопов, микроскопов, проекционных устройств, фотографических
объективов и т.п. из имеющихся конструктивных оптических элементов:
линз, призм, зеркал и т.п. Заметим, что включение элементов плоской оптики
в этот набор позволит существенно расширить функциональные
возможности целого ряда оптических систем. Во-вторых, продолжает
активно развиваться цифровая голография. В-третьих, возникли системы
технического зрения, имитирующие способность живых органов получать
информацию об окружающей действительности за счет падающего на них
света. Созданные к настоящему времени системы технического зрения
обладают пока еще очень низкими информационными способностями и в
основном являются цифровыми, близкими по духу к системам цифровой
обработки оптических изображений. В них не реализованы оптические
возможности глаза, нет оптической обработки информации, реализующей
способность распознавать образы. Однако нет сомнения в том, что в
последующих поколениях технического зрения значительное место займут
элементы компьютерной оптики, реализующие ключевые функции
обработки и анализа оптических сигналов.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - прибор, который позволяет получать
сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения
электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали,
слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп.
ЭМ – один из важнейших приборов для фундаментальных научных
исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как
биология и физика твердого тела.
Существуют три основных вида ЭМ. В 1930-х годах был изобретен
обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах
– растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах
– растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов
дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.
ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу см. МИКРОСКОП,
но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок
электронов. В нем имеются электронный прожектор (см. ниже), ряд
конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая
соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на
люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником
электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида
лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и
электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого
поля катод поддерживают под потенциалом порядка -100 000 В относительно
других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть
прибора называется электронным прожектором. Поскольку электроны
сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся
электроны, должен быть вакуум.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что электронная оптика —
это дисциплина, занимающаяся вопросами формирования, фокусировки и
транспортировки пучков заряженных частиц, в частности электронов, в

магнитных и электрических полях. Практическое применение —
формирование пучка электронов, и управление им, например, в электронно-
лучевых трубках. Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий
получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз,
благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо
светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более. В
работе также была рассмотрена «компьютерная оптика», ее особенности и
черты.

Список использованных источников и литературы

1. Глазер В. Основы электронной оптики (пер. с немецкого)- М. : 1957. -
764 с.
2. Вычислительная оптика: Справочник./ Под ред. М.М. Руси-нова. - J1. :
Машиностроение, 1984. - 423 с.
3. Компьютеры в оптических исследованиях./ Под ред. Б. Фри-дена. - М.:
Мир, 1983. - 488 с.
4. Электронный микроскоп. – режим доступа:
https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/EL
EKTRONNI_MIKROSKOP.html (дата обращения 27.11.21 г.)
5. Физические основы электронной оптики. – режим доступа:
https://megaobuchalka.ru/10/2998.html (дата обращения 27.11.21 г.)