Строк виконання �2019 - 2021 рр.

1

Керівник НДР

академік НАН України

В.В. Петров

Відповідальні виконавці:

заст. зав. відділу, к.т.н. С.М. Шанойло

пр. н. с., д.т.н. Є.Є. Антонов

"РОЗРОБИТИ ТА ДОСЛІДИТИ ВИСОКОЕФЕКТИВНІ МІКРОРЕЛЬЄФНІ СТРУКТУРИ

ТА ЕЛЕМЕНТИ ПЕРЕТВОРЕННЯ СВІТЛОВИХ ПОТОКІВ"

(шифр "Промінь")

​

Мета роботи:�Розробка та дослідження процесів формування мікрорельєфних структур на поверхні металевих та полімерних матеріалів методом алмазного мікроточіння, розрахунок оптичних параметрів фокусуючої та трансформуючої плоскої оптики, створення вітчизняних конкурентно-спроможних виробів ‒ оптичних мікрорельєфних гомогенізаторів світла та лінз Френеля для систем перетворення світлових потоків.�

2

Загальне фінансування в 2019-2021 рр.

3136,123 тис. грн.��Кількість співвиконавців:

2019-2021 рік ‒ 7

Розділ 1. Аналіз існуючих методів розрахунку мікрорельєфних перетворювачів світлових потоків, � Проведено аналіз науково-технічної та патентної літератури для визначення перспективних напрямків досліджень. Класифіковано існуючі мікрорельєфні структури перетворення світлових потоків для різних застосувань (сонячні концентратори світла, плоска фокусуюча оптика, ахроматичні мікропризми Френеля).

3

Основні результати

Розділ 2. Моделювання характеристик та розробка конструкцій дифузорів світлових потоків.� 2.1. Розрахунок індикатриси розсіювання та геометричних параметрів мікросферичних дифузорів�

4

Основні результати

α_i = tg^-1{sin β_i /(n₁/n₀ - cos β_i)}

β_i = sin^-1 {[(n₁/n₀) sin α_i] - α_i}

Рисунок 2.2 – Кут відхилення β в залежності від висоти мікрорельєфу h для різних діаметрів D мікросфер: 1– D=4,0 мм; 2– 3,5 мм; 3– 3,1 мм;

4– 2,5 мм; 5– 2,0 мм; 6– 1,588 мм.

Розділ 2. Моделювання характеристик та розробка конструкцій дифузорів світлових потоків.� 2.3. Параметри мікрорельєфу та кутовий розподіл інтенсивності світла для осесиметричних поверхневих гомогенізуючих структур

5

Основні результати

Розділ 2. Моделювання характеристик та розробка конструкцій дифузорів світлових потоків.� 2.3. Оптимізація процесу формування мікроконусної структури дифузорів.

6

Основні результати

Розділ 2. Моделювання характеристик та розробка конструкцій дифузорів світлових потоків.� 2.4. Методи формування дифузорів з конусною структурою

7

Основні результати

Створено зразки дифузорів з мікроконусною структурою на світлоповертальній поверхні

Розділ 3. Дослідження оптичних характеристик перетворювачів світлової енергії� 3.1. Хроматизм та кольорові фільтри для мікропризм Френеля�

8

Основні результати

n₁ (λ) sin φ₁ = n₂ (λ) sin φ₂

Δ(λ₁λ₂)_R = θ_R1–θ_R2 =

= sin^–1{sin α_R n₁(λ₁)/n₂(λ₁)}- -sin^–1{sin α_R n₁(λ₂)/n₂(λ₂)}

r (λ,T) = τ (λ) k_D (λ) ε (λ,T) c₁/λ⁵ [exp (c₂/2856) - 1] ^-1

Розділ 3. Дослідження оптичних характеристик перетворювачів світлової енергії� 3.2. Стекла Баголіні для контролю стану органу зору�

9

Основні результати

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.1. Метод моделювання параметрів фокусуючих� світло пристроїв

10

Основні результати

γ₁ = tg^-1(R₁ / f)

φ₁ = tg^-1{sin γ₁ /(n₁/n₀ - cos γ₁)}

Рисунок 4.2 ‒ Загальний вигляд традиційної

точково-фокусуючої лінзи Френеля

для n₁ = 1,585, λ = 0,532 мкм

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.2. Розрахунок оптичних пристроїв для�трансформування потоків світла�

11

Основні результати

Рисунок 4.7 ‒ Загальний вигляд концентратора світла

для n₁ = 1,585, r₀=1.5, λ = 0,532 мкм,

створеного за результатами розрахунків

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.3. Проблема концентрації променів при фокусуванні

12

Основні результати

Рисунок 4.8 ‒ Коефіцієнти концентрації k_CR(r_c)=R/r

для лінзи f = 20 мм, λ = 1.064 мкм

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.3. Проблема концентрації променів при фокусуванні

13

Основні результати

Рисунок 4.11 ‒ Фрагмент розрахунків параметрів лінзи-концентратора з ПК фокусом f = 20 мм

(r₀ = 1.5 мм, n₁ = 1,585, λ = 0,532 мкм)

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.4. Проблема звуження пройдених світлових потоків мікропризмами

14

​

Основні результати

Рисунок 4.12 ‒ Схема проходження променів через кільцеву мікропризмову лінзу-концентратор,

яка формує в фокусі зображення радіусом r₁

без центральної зони радіусом r₀

Рисунок 4.13 ‒ Відносна корекція кроку ΔR'_k /R₁ (а)

та глибини рельєфу Δh'_k /h'_k (б) в залежності від кута рефракції α_k для лінзового концентратора з ПК

(n₁ = 1,585 для λ = 0,532 мкм)

ΔR'_k = R₁ tgα_k tgγ_k / (1- tgα_k tgγ_k), Δh'_k = ΔR'_k tgα_k

ΔR_k = R₁ {1+ tgα_k tgγ_k / (1- tgα_k tgγ_k)

h_k = R₁ tgα_k {1+ tgα_k tgγ_k / (1- tgα_k tgγ_k

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.5. Оптимізація процесу фокусування променів

15

Основні результати

Рисунок 4.22 ‒ Радіальна концентрація

променів для концентратора λ = 0,532 мкм,

f = 41 мм, r₀ = 1,5 мм зі схемою фокусування

CФ: 1,5-1,5-1,5-1,5-2,5-2,5-3,5-4,0

Рисунок 4.21 ‒ Радіальна концентрація променів

для різних схем фокусування (СФ)

для лінзи f = 41 мм; n₁ = 1,585; λ = 0,532 мкм

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.5. Оптимізація процесу фокусування променів

16

Основні результати

Рисунок 4.15 ‒ Схема розрахунків величини корекції ширини призматичних зон лінзи-концентратора з ПК

(f = 20 мм, D_L = 50 мм, r₀ = 1,5 мм, n₁ = 1,585, λ = 1,064 мкм) n₁ = 1,585, λ = 1,064 мкм)

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.5. Оптимізація процесу фокусування променів

17

Основні результати

Рисунок 4.23 ‒ Профілограми світлового кола в фокусі концентратора світла для λ = 0,532 мкм

з фокусом f = 41 мм, який формує світлове коло радіусом r₁ = 4,5 мм без центральної темної зони:

а‒ r_0k = 0,5 мм; б‒ r_0k = 0,75 мм; в‒ r_0k = 1,0 мм; г‒ r_0k = 1,5 мм

а б в г

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.5. Оптимізація процесу фокусування променів

18

Основні результати

Рисунок 4.24 ‒ Радіальна концентрація променів для концентратора λ = 0,532 мкм, f = 41 мм, r₀ = 0,75 мм зі схемою оптимізації

CФ: 0,75-0,75-1,5-2,7-4,0

Рисунок 4.25 ‒ Пропускання світла (а) та внесок кожної зони (б) для концентратора #7 для λ = 0,532 мкм, f = 41 мм, r₀ = 1,5 мм зі схемою оптимізації фокусування CФ: 0,75-0,75-1,5-2,7-4,0

а б

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.6. Комп'ютерне моделювання розроблених концентраторів світлових променів�

19

Основні результати

Рисунок 4.24 ‒ Радіальна концентрація променів для концентратора λ = 0,532 мкм, f = 41 мм, r₀ = 0,75 мм зі схемою оптимізації

CФ: 0,75-0,75-1,5-2,7-4,0

Рисунок 4.25 ‒ Пропускання світла (а) та внесок кожної зони (б) для концентратора #7 для λ = 0,532 мкм, f = 41 мм, r₀ = 1,5 мм зі схемою оптимізації фокусування CФ: 0,75-0,75-1,5-2,7-4,0

а б

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.6. Комп'ютерне моделювання розроблених концентраторів світлових променів�

20

Основні результати

Рисунок 4.33 ‒ Профілі променів для L= 20 мм, які пройшли через всі зони # 1–5 лінзи #7 (D_L = 50 мм, f = 20 мм, r₀ = 0,75 мм, n₁ = 1,585)

Рисунок 4.34 ‒ Профілі променів, які пройшли через кожну

зону # 1‒5 лінзи # 7 (D_L = 50 мм, f = 20 мм, r₀ = 0,75 мм n₁ = 1,585)

Розділ 4. Моделювання оптичних характеристик�концентраторів світлових потоків� 4.8. Використання лінзових концентраторів в оптичних системах автоматичного керування �

21

Основні результати

Рисунок 4.37 ‒ Деформація світлової плями в фокусі

мікропризмового концентратора для f = 41 мм (λ=0,532 мкм)

при повороті рефракційної структури на різні кути φ

відносно напрямку освітлення:

а б

Розділ 5. Виконання теоретичних досліджень для створення вдосконалених методів герметизації оптичних мікрорельєфних структур

22

Основні результати

Рисунок 5.2 ‒ Модернізований сонотрод для ультразвукового зварювання оптичних елементів. Розміри відповідають налаштуванню на резонансну частоту 19,9 кГц.

,

Розділ 6. Комп'ютерне моделювання та експериментальне дослідження мікропризмових дифузорів та концентраторів світлових потоків.� 6.1. Моделювання характеристик оптичних дифузорів�

24

Основні результати

Рисунок 6.5 ‒ Моделювання різних варіантів дифузорів світлових потоків

Розділ 6. Комп'ютерне моделювання та експериментальне дослідження мікропризмових дифузорів та концентраторів світлових потоків.� 6.2. Моделювання фокусуючих пристроїв з двох мікропризмових елементів�

25

Основні результати

Рисунок 6.11 ‒ Профілі променів, які пройшли через двохелементний концентратор для фокусних відстаней f = 12, 20 мм

Розділ 6. Комп'ютерне моделювання та експериментальне дослідження мікропризмових дифузорів та концентраторів світлових потоків.� 6.3. Експериментальне дослідження дифузорів �та концентраторів світла

26

Основні результати

Рисунок 6.13 ‒ Загальний вигляд експериментального стенду

і зареєстроване реальне зображення пройденого після лінзи променя на екрані

Принципова схема експериментального стенду: 1‒ лазер; 2‒ позитивна лінза;

3‒ негативна лінза; 4‒ конденсор; 5‒ досліджувана лінза; 6‒ сфокусована світлова пляма

Розділ 6. Комп'ютерне моделювання та експериментальне дослідження мікропризмових дифузорів та концентраторів світлових потоків.� 6.3. Експериментальне дослідження дифузорів �та концентраторів світла

27

Основні результати

Рисунок 6.17 ‒ Зображення світлового променя на екрані

для концентратора #15 для

λ = 1,064 мкм (f = 20 мм)

без центральної області

зображення для різних фокусних відстаней f

28

Перелік публікацій за 2019-2021 рр.

За період виконання науково-дослідної роботи «Промінь» опублікована

1 монографія, 10 статей в фахових журналах, в тому числі 5 статей включено

до бази «Scopus», отримано 5 патентів України, зроблено 16 доповідей на

науково-технічних конференціях, зокрема:

​

1. Петров В.В., Антонов Е.Е., Крючин А.А.. Шанойло С.М. Микропризмы в офтальмологии. Киев, "Наукова думка", 2019, ‒ 224 с., ISBN 978-9660-00-1639-2.

2. Fu Ming-lei, Fan Ting-chao, Antonov Eugene, Lu Chun-xiao, Zhang Wen-qi,

Manko Dmytro. Experimental Study on Contract Sensitivity for Fresnel Microprisms. Acta Photonica Sinica, 2019, V.48, N.11. P.18‒25. DOI: 10.3788/gzxb20204812.1211001 (Q4).

3. Антонов Є.Є. Хроматизм і кольорові фільтри для мікропризм Френеля.

Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2019. Т.21, № 1. С.68–82.

DOI: 10.35681/1560-9189.2019.1.1.179706.

4. Антонов Є.Є., Токалін О.О. Параметри рельєфу та кутовий розподіл інтенсивності світла для осесиметричних поверхневих гомогенізуючих структур. Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2020. Т.22, № 1. С.12–23.

DOI: 10.35681/1560-9189.2020.22.3.218803.

5. Fu M.L., Antonov E., Manko D., Petrov V., Le C.W., Bo C.F., Zhang W., Wang S.N. Achromatic Refractive-Diffractive Double-Relief Microprisms. Optics and Laser in Engineering, 2020. V.126, # 105903. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2019.105903 (Q1).

6. Fu Minglei, Fan Tingchao, Lu Chunxiao, Zhang Wenqi, Antonov  Eugene, Manko Dmytro. Light Filters Influence on the Chromaticity for Fresnel Microprisms. Int. Journal for Light and Electron Optics (OPTIK), 2020. V.201, #163484. DOI: 10.1016/j.ijleo.2019.163484 (Q2).

7. Петров В.В., Антонов Є.Є., Зенін В.М., Манько Д.Ю., Шанойло С.М. Моделювання та дослідження параметрів концентраторів світлових променів. Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2020. Т.22, № 2. С.12–23. DOI: 10.35681/1560-9189.2020.22.3.218803.

8. Петров В.В., Антонов Є.Є., Манько Д.Ю., Шанойло С.М. Двохелементні мікропризмові лінзи. Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2020. Т.22, № 4.

С.3‒11. DOI: 10.35681/1560-9189.2020.22.4.225885.

29

Перелік публікацій за 2019-2021 рр.

(продовження)

9. Петров В.В., Антонов Є.Є., Шанойло С.М. Алгоритм моделювання мікропризмових лінз для трансформації світлових потоків. Електронне моделювання, 2021. Т.43, № 2. С.3‒18. DOI:10.15407/emodel.43.02.003.

10. Fu M.L., Antonov E.E., Manko D.Yu., Petrov V.V., Rong K.Z. Microprismatic Fresnel Lens for Formation of Uniform Light Circle. IEEE Photonics Journal, 2021. V.13, #3, June 2021, #2200108. DOI: 10.1109/JPHOT.2021.3072538 (Q1).

11. Antonov E.E., Fu M.L., Manko D.Yu., Petrov V.V., Rong K.Z. Structure of Microprismatic Fresnel Lens for Creating Uniform Focal Images, Optics Express, 2021. V.29, # 24, 22 Nov 2021, 38958‒38970; DOI: 10.1364/OE.438590 (Q1).

в тому числі, отримано наступні патенти:

1. Петров В.В., Коростельов О.П., Смішко Г.П., Бріцький О.І., Шанойло С.М., Антонов Є.Є., Крючин А.А., Косяк І.М., Христин В.М. Спосіб виготовлення оптичного дифузора. Патент України на винахід № 120022, Бюл. № 17 від 10.09.2019 р.

2. Петров В.В., Бріцький О.І., Шанойло С.М., Антонов Є.Є., Крючин А.А., Косяк І.В., Заворотний А.А., Білобров М.М., Лисянський М.М., Бараненкова В.П. Спосіб виготовлення оптичного дифузора. Патент України на винахід № 119707, Бюл. № 14 від 25.07.2019 р.

3. Петров В.В., Алєєва Н.М., Антонов Є.Є., Бутенко Л.В.. Крючин А.А., Риков С.А., Сенякіна А.С., Шанойло С.М., Шевколенко М.В. Спосіб виготовлення скелець Баголіні. Патент України на корисну модель № 133832, Бюл. № 8 від 25.04.2019 р.

4. Петров В.В., Густелєв О.О., Осипов В.О., Шанойло С.М., Антонов Є.Є., Крючин А.А., Бараненкова В.П., Заболотний В.О., Зенін В.М. Мікропризмовий бордюрний світлоповертач. Патент України на корисну модель № 38690, Бюл. № 4 від 25.02.2019 р.

5. Петров В.В., Коростельов О.П., Смішко Г.П., Бріцький О.І., Шанойло С.М., Антонов Є.Є., Крючин А.А., Косяк І.М., Христин В.М. Спосіб виготовлення оптичного дифузора. Патент України на корисну модель № 132420, Бюл. № 4 від 25.02.2019 р.

30

Загальні висновки

При проведенні досліджень, запланованих при відкритті теми "Промінь", отримано наступні результати:

  1. Проведено аналіз існуючих технологій виготовлення мікрорельєфних фокусуючих та гомогенізуючих пристроїв, розглянуто сучасні методи розрахунку оптичних параметрів таких пристроїв.

2. Досліджено процеси формування матриць-оригіналів дифузорів світлових потоків методами термопресування, внесено відповідні удосконалення в систему встановлення теплових режимів пресування та у блок регулювання для підтримання визначених параметрів кінцевих виробів.

3. Розроблено технологічне обладнання для виготовлення інденторів з твердотільних матеріалів для формування мікрорельєфних поверхонь. Експериментально відпрацьована технологія виготовлення мікроконусних та сфероподібних дифузорів світлових потоків.

4. Визначено оптимальні схеми формування мікроконусних та сфероподібних дифузорів, відпрацьовано схеми розміщення мікрозаглиблень на утворюючій поверхні дифузорів. Досліджено кутовий розподіл інтенсивності світла для осесиметричних поверхневих гомогенізуючих структур в залежності від параметрів мікрорельєфу на поверхні.

5. Розроблено математичні моделі для створення кільцевих фокусуючих структур, запропоновано алгоритми розрахунків мікропризмових структур для перетворення світлових потоків, досліджено параметри оптичних елементів для концентраторів випромінювання та гомогенізації світла. Експериментально досліджено процеси формування оптичних зображень мікропризмовими кільцевими структурами, визначено просторові характеристики гомогенізованих зображень.

6. Запропоновано метод моделювання прототипів дифузорів для гомогенізації променів світла за допомогою пакету програм "Trace-Pro" та програмного забезпечення "Image-J", які дозволяють формувати просторові профілі променів для різних довжин хвиль випромінювання та різної геометрії дифузорів.

Таким чином, заплановані при відкритті теми "Промінь" дослідження виконано в повному обсязі.

Наступні напрямки з теми