Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и синтез оптико-электронных систем построения плоского светового растра 14
1.1 Результаты патентного исследования 14
1.2 Постановка задачи исследования. 17
1.3 Техническое задание . 18
1.4 Лазерные аэронавигационные системы посадки 20
1.5 Полупроводниковые источники излучения 26
1.6 Выводы 28
Глава 2. Расчет оптической мощности источников лазерного излучения . 29
2.1 Расчет энергетической освещенности глаза по СанПиН 29
2.2 Расчет плотности мощности излучения по требованиям ИКАО 28
2.3 Фотометрический расчет параметров источников излучения . 35
2.4 Рассеяние света в атмосфере. 41
2.5 Ограничения по слепящей яркости 43
2.6 Выводы 45
Глава 3. Выбор оптической системы 46
3.1 Общие требования. 46
3.2 Расчет параметров коллимирующей оптики . 46
3.3 Смешивание цветов. з
3.4 Выводы 52
Глава 4. Система развертки лазерного луча . 53
4.1 Выбор сканеров. 53
4.2 Математическое моделирование работы гальваносканеров. 71
4.3 Выводы 78
Глава 5. Экспериментальные исследования оптико-электронного устройства и его отдельных узлов . 79
5.1 Общие требования к разрабатываемому устройству. 79
5.2 Защита от возможного поражения глаз наблюдателя 84
5.3 Исследование изменения мощности оптического излучения . 88
5.4 Колориметрические исследования 89
5.5 Измерение освещенности в секторах растра. 97
5.6 Измерение равномерности распределения яркости по секторам. 98
5.7 Исследование влияния параметров сканера на качество растра. 101
5.8 Исследование частотных параметров растра и его секторов. 103
Заключение 106
Список цитируемой литературы 108
- Техническое задание
- Фотометрический расчет параметров источников излучения
- Расчет параметров коллимирующей оптики
- Исследование изменения мощности оптического излучения
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует проблема
формирования в пространстве плоского многосекторного трехцветного
светового растра и в этом направлении работают большие группы ученых и
инженеров для её решения. В одних случаях это важно для светового шоу,
когда с помощью света и цвета создаются определенные композиции,
архитектурные подсветки, а в других случаях с помощью цветовых секторов в
пространстве создаётся цветовое поле (растр) для летательных аппаратов с
целью их ориентации в пространстве. Световое поле, в которое попадает
летательный аппарат, является своего рода маяком, извещающим о
местонахождении источника излучения, которое, как правило, функционально
связано с взлетно-посадочной полосой. Существует понятие «глиссада»,
определяющая траекторию полета летательного аппарата, по которой он снижается непосредственно перед посадкой. В результате полета по глиссаде летательный аппарат попадает в зону приземления. На аэродромах глиссада задается при помощи двух радиомаяков – глиссадного и курсового, которые посылают в направлении заходящего на посадку летательного аппарата радиосигналы (радиомаяк).
В случае светового маяка в сторону летательного аппарата посылаются световые сигналы, которые распределены по секторам в определенном цвете и определенной мощности. При этом возникает проблема выбора мощности источника излучения светового маяка, поскольку возможно ослепление пилота летательного аппарата. С одной стороны плотность мощности в определенной точке светового поля не должна превышать предельных значений, устанавливаемых требованиями санитарных норм (СанПиН), а с другой стороны имеются требования по применению лазерных источников в зоне нахождения летательных аппаратов (ИКАО). Плотность мощности также должна быть больше яркости окружающего фона, но ниже той яркости, которая приводит к ослеплению пилота, управляющего летательным аппаратом.
В одних случаях световая курсо-глиссадная система посадки летательного аппарата работает на малых расстояниях от взлетно-посадочной полосы, составляющих несколько километров, в других же случаях эта система работает на расстояниях в несколько десятков километров. Получение светового поля (растра) на больших расстояниях требует иного подхода к выбору энергетических и пространственных параметров источника излучения и способу создания светового растра.
В глиссадной практике известно применение световых маяков. Но, как правило, используется несколько световых источников, причем каждый из них излучает на вполне определенной длине волны. При этом используются самостоятельные источники излучения красного, зеленого, оранжевого цветов.
Поскольку в световом маяке используется, как правило, семь секторов, работающих на разных частотах мерцания, то и применяется семь самостоятельных лазерных источников излучения.
В данной диссертационной работе делается попытка создания светового маяка для обеспечения ориентации пилота летательного аппарата на больших расстояниях в 15-20 км от взлетно-посадочной полосы. При этом предполагается использовать минимальное количество (не более двух) лазерных источников излучения, красного и зеленого цветов и путем сложения этих цветов получать другие цвета с тем, чтобы в пространстве создавать кадр света, включающий в себя несколько секторов различной цветности, и использовать подобную систему как в глиссадной практике, так и в световом шоу. Предполагается создать все те же семь секторов, работающих на разных частотах мерцания. Поэтому тема диссертационной работы является комплексной, она предполагает провести ряд исследований в области оптоэлектроники с целью получения действующего и безопасного в эксплуатации макета светового маяка. Использование результатов данных исследований весьма актуально в связи с перспективой создания реально действующего светового маяка на двух лазерных источниках излучения для посадки летательных аппаратов на малоразмерные площадки, в том числе и площадки морского базирования. При этом необходимо проведение фотометрических расчетов с целью определения параметров источника излучения, оптических систем формирования малорасходящегося излучения, сведенного в один луча и сканировании его в пространстве.
Цель диссертационной работы состояла в лабораторном исследовании оптических параметров и свойств лазерных источников излучения, оптических систем формирования геометрических характеристик лазерного луча, сложения их излучения, систем сканирования и получения резких границ цветовых секторов и светового растра в целом. При этом должны быть соблюдены требования Санитарных норм и правил эксплуатации лазеров (СанПиНа) и Международных требований по проектированию и эксплуатации аэродромов (ИКАО).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Проводились экспериментальные исследования выбора источников излучения на длинах волн Л=500-560нм, 1=625-740нм, исследования оптической среды прохождения излучения на расстояние до 15 км, на котором световое поле растра контрастно воспринимается пилотом летательного аппарата, но при этом плотность излучения должна иметь безопасные параметры;
-
Выбор и экспериментальные исследования оптической системы, позволяющей складывать лазерные лучи разных длин волн излучения, а также сформировать общий луч заданной расходимости с целью
получения однородного светового поля по отдельным цветовым секторам и по растру светового поля в целом;
-
Экспериментальные исследования сканирующих устройств, позволяющих производить развертку луча в определенных углах по вертикали и горизонтали;
-
Экспериментальные исследования процесса сложения лучей двух лазеров (Л1 = 520 нм ) и (Л2 = 633 нм) в соосную систему;
-
Разработка рекомендаций по созданию промышленного образца лазерного маяка для управления организацией посадки летательных аппаратов, включая методики и программные средства управления развертки, а также автоматизированной защиты от поражения зрения пилота в случае отказа работы отдельных элементов системы;
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- на уровне требований глиссадных технологий проведены комплексные
исследования лазерного маяка на базе двух лазеров, предназначенного для
повышения организации приземления летательных аппаратов на
маломерных площадках, в том числе и площадках морского базирования;
впервые экспериментально исследована возможность использования двух источников лазерного излучения (красный и зеленый цвет) для создания трехцветного растра с отдельными секторами;
обоснована и применена модель для расчетов с точностью на уровне экспериментальной погрешности прохождения света разных цветов через оптические элементы, окружающую среду с целью формирования цветового растра;
разработан действующий макет лазерного маяка для использования в реальных условиях окружающей среды, для реальных летательных аппаратов с оптико-электронной системой обеспечения безопасности пилотов.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
-
Даны научные обоснования: для построения плоского семисекторного трехцветного растра достаточно двух лазерных источников излучения, работающих на разных длинах волн в области видимого диапазона; для наполнения растра светом необходимо обеспечение сканирования лазерного луча и сменяемости растра во времени;
-
Методика расчета минимальных и предельно допустимых мощностей лазерных источников с учетом потерь излучения на трассе для создания высокоинформативной оптико-электронной системы курсоглиссадной посадки летательных аппаратов;
3. Методика расчета биологической безопасности восприятия лазерного
излучения глазом пилота летательного аппарата; однородного заполнения
светом растра и отдельных его секторов на значительном расстоянии от
источников излучения (15 км), а также получения контрастного цветового поля
при сканировании лазерного луча;
4. Создана научная предпосылка создания лазерного маяка (оптико-
электронной системы) для практического использования в системе глиссады на
больших расстояниях от взлетно-посадочной полосы. При этом предусмотрен
способ безопасной эксплуатации лазерного маяка в случае выхода из строя
отдельных его элементов.
Достоверность научных и практических положений подтверждается
результатами компьютерного моделирования и экспериментальных
исследований отдельных узлов и всего прибора в целом, а также данными,
лабораторных и полевых испытаний экспериментального образца лазерного
маяка. Достоверность и обоснованность технико-эксплуатационных
спектральных характеристик была подтверждена результатами измерений
промышленными и аттестационными колориметрами. Энергетические
характеристики светового поля растра исследовались аттестованными ваттметрами и люксметрами.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований, разработанный
макет лазерного маяка и алгоритмы его использования проходят в настоящее
время лабораторные, полевые и аэродромные испытания. Эскизы, схемы,
протоколы испытаний переданы в НПО «Электроприбор» для разработки
технической документации с целью мелкосерийного выпуска лазерных маяков,
предназначенных для использования в системах глиссады для летательных
аппаратов на больших расстояниях. Результаты исследований используются в
лазерном театре, работающего на базе Санкт-Петербургского Планетария, в
котором создаются световые и цветовые композиции с помощью лазерных
сканирующих систем. Результаты исследований также используются в
учебном процессе Университета ИТМО по дисциплине оптоэлектроника при проведении лабораторного практикума, при выполнении курсовых проектов и выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные положения, результаты и выводы получены в основном лично соискателем. Цели и основные задачи диссертационного исследования сформулированы совместно с научным руководителем. Подготовка к публикации научных статей и докладов на научных конференциях проводилась вместе с соавторами
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
II Всероссийском конгрессе молодых ученых, СПб НИУ ИТМО, апрель 2013 года;
ХLIII научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, 30 января 2014;
III Всероссийском конгрессе молодых ученых, СПб, апрель 2014;
Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2014», СПб, 20-24 октября 2014 года;
2-ой международной научно-практической конференции «световой дизайн 2015», Санкт-Петербург, октябрь 2015г;
XLIV научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, 5 февраля 2015;
ХLV научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО, Санкт-Петербург 5 февраля 2016г.
Публикации. Полный перечень публикаций по теме диссертационной работы включает 7 научных статей, в том числе в двух, рекомендуемых ВАК, и 3-х тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, Списка литературы и Приложения. Общий объем диссертации 114 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 19 таблиц, список цитированной литературы включает 53 наименования.
Техническое задание
Параметры лазерных излучателей оптической системы и способы заполнения растра светом, обеспечение режимов работы секторов должны быть рассчитаны и определены в течение выполнения данной работы, результатом которой должно быть создано действующее оптико-электронное устройство формирования в пространстве плоского многосекторного многоцветного растра, соответствующего нормам безопасности при его эксплуатации.
Исследования патентов, научной литературы, имеющегося опыта сотрудников кафедры ТТОЭ (СТО), на которой выполнялась данная работа, показали возможность создания малогабаритной оптико-электронной системы, позволяющей получить цветовой растр, изображенный на рис. 1 с помощью двух полупроводниковых лазеров, а не семи как показано в патенте [8]. Причем желтый цвет получается при сложении красного и зеленого цветов. С помощью оптической системы лучи от двух лазеров сводятся в единый луч, который можно перемещать по растру с помощью специальных сканеров, обеспечивающих необходимые частоты и углы сканирования.
Однако параметры лазерных источников излучения, оптической системы, сканеров в данной оптико-электронной системе необходимо выбрать и исследовать, с целью получения надежного «большого экрана» для уверенного и безопасного приема пилотом летательного аппарата информации о месте нахождения посадочной полосы.
В последующих главах будут приведены результаты подобных исследований.
В настоящее время известны несколько типов отечественных визуальных лазерных курсоглиссадных систем посадки, которые условно можно разделить по принципу использования лазерного излучения – на системы визуализации с использованием рассеянного лазерного излучения и системы, основанные на видении прямого лазерного излучения. [49] К системам посадки первого типа относятся лазерные визуальные курсоглиссадные системы, в которых используется эффект рассеяния узконаправленных лазерных лучей в атмосфере на молекулах газов, аэрозольных частицах, на неоднородностях, вызванных турбулентным движением воздуха, за счет которого лазерные лучи выделяются на фоне окружающего воздушного пространства в виде вытянутых прямолинейных жгутов. [50]
Это позволяет пилоту, осуществляющему заход на посадку, видеть пространственную картину из трех светящихся лучей (рис.2): двух лучей, образующих плоскость "идеальной" глиссады снижения летательного аппарата и третьего луча, указывающего направление посадочного курса (створа ВПП) [51, 52]. Рисунок 2. Визуализация лучей из кабины при различных положениях воздушного судна
В вертикальной плоскости оптические лучи одинаково наклонены к плоскости ВПП под заданным для данного аэропорта углом. При этом глиссадные лучи в горизонтальной проекции имеют одинаковый угол "развала" от осевой линии ВПП. Пилотирование воздушного судна с использованием такой системы сводится к выдерживанию визуальной картинки лучей в форме буквы "Т", при этом траектория полета самолета будет близка к идеальной траектории посадки на взлетно-посадочную полосу аэродрома. Лазерная система такого типа является информационной системой и не обеспечивает сопряжение с бортовой системой управления воздушного судна. Автоматизация захода на посадку, а также контроль с земли за заходящим на посадку воздушным судном с помощью такой системы невозможны.
Лазерная система второго типа предлагает способ применения посадочных систем прямого видения с огнями высокой интенсивности, с различными секторами, создаваемыми цветовыми узкополосными фильтрами. Она лишена недостатков, свойственных системам на эффекте рассеяния. Отличительной особенностью лазерной системы является прямое видение излучения секторов лазерного источника света, размещенных в фокальной плоскости объектива [53]. При этом осуществляется перенос изображения светящейся поверхности источника света в бесконечность.
Пилот удерживает самолет (вертолет) в цветовом секторе, который соответствует положению на глиссаде. Отклонение от глиссады приводит к уходу воздушного судна в другой цветовой сектор. Контроль места воздушного судна в заданном секторе может производиться и за счет применения проблескового режима с различной частотой мигания, достаточной для ее распознавания (рис.4).
Такая система практически заменяет используемые ранее светосигнальные системы на лампах высокой интенсивности с цветными фильтрами. На аэродромах лазерная система посадки может применяться в качестве светотехнического оборудования для посадки и взлета воздушного судна в простых и сложных метеорологических условиях, при минимуме погоды по II и III категориям ИКАО днем и ночью.
Фотометрический расчет параметров источников излучения
В ИКАО даны следующие определения: Зона обычных полетов (NFZ). Воздушное пространство, которое не определяется как LFFZ, LCFZ или LSFZ, но которое должно защищаться от лазерного излучения, способного вызвать биологическое повреждение глаза. Зона полетов, чувствительная к воздействию лазерных лучей (LSFZ). Воздушное пространство, находящееся за пределами LFFZ и LCFZ и необязательно прилегающее к ним, где излучение ограничивается уровнем, при котором ослепление вспышкой или эффект последовательного образа маловероятны.
Зона полетов, критическая с точки зрения воздействия лазерных лучей (LCFZ). Воздушное пространство вблизи аэродрома, но за пределами LFFZ, где излучение ограничивается уровнем, при котором эффект ослепления маловероятен.
Зона полетов, свободная от воздействия лазерных лучей (LFFZ). Воздушное пространство в непосредственной близости от аэродрома, где излучение ограничивается уровнем, при котором нарушение визуального восприятия маловероятно.
Перечисленные выше зоны приведены на рис. 8. Рисунок 8. Защищенные зоны полетов с указанием максимальных уровней излучения для видимых лазерных лучей (ИКАО) [15].
На рис.8 указаны предельные допустимые значения плотности мощности лазерного излучения для перечисленных выше зон полетов. Так, в зоне полетов, чувствительной к воздействию лазерных лучей, допустимая плотность мощности составляет не более 100 мкВт/см2, в зоне полетов критической – 5 мкВт/см2, в зоне полетов, свободной от воздействия лазерных лучей допустимая плотность мощности составляет 50 нВт/см2.
В соответствии с рис. 8 при дистанции действия разрабатываемого нами оптико-электронного устройства в 15 км попадаем в зону полетов, чувствительную с точки зрения воздействия лазерных лучей, в пределах которой плотность мощности не должна превышать 100 мкВт/см2. Поэтому при плотности мощности в 6 мкВт/см2 (зеленый лазер) и 13 мкВт/cм2 (красный лазер) наша оптико-электронная система удовлетворяет требованиям ИКАО. Если рассмотреть критическую зону, в которой допустимый уровень освещенности составляет 5 мкВт/см2, то в ней при данной освещенности эффект ослепления маловероятен. ИКАО не дает уточнений, для каких длин волн приведены значения плотностей мощности, поэтому принимается, что 5 мкВт/см2 приведено для длины волны 555 нм, на которой чувствительность глаза человека имеет максимальное значение (Рис. 9). С учетом спектральной селективности глаза, принимая во внимание, что глаз менее чувствителен в красной области спектра, можно сделать вывод, что значения предельных плотностей мощности, полученные в формулах (9-10), а именно, 6 мкВт/см2 для длины волны 520 нм и 13 мкВт/см2 для длины волны 633нм, удовлетворяют требованиям ИКАО.
К тому же у лазерных систем-аналогов [8,11] приведены следующие значения предельно допустимых плотностей мощности для различных длин волн непрерывного излучения: Я = 633 нм - 17 мкВт/см2 [He-Ne лазер], Я = 543 нм - 1 мкВт/см2 [Ar лазер]. Остановимся на рассчитанных нами ранее (9-10) плотностях мощности для Я = 520 нм - 6 мкВт/см2 [п/п лазер], а для Я = 633 нм - 13 мкВт/см2 [п/п лазер] и произведем необходимые фотометрические расчеты. Указанные плотности мощности, являющиеся предельно допустимыми, воспринимаются в нашей системе на расстоянии 8-15 км. Однако с учетом поглощения и рассеяния излучения в атмосфере определим необходимую для данного случая мощность излучения лазерных полупроводниковых источников.
По формулам (9-10) определена предельно допустимая плотность мощности излучения лазерных источников. Для нахождения оптической мощности излучения лазерных источников и проведения фотометрических расчетов примем плотности мощности, попадающие на глаз, на порядок меньше, то есть, 0,6 мкВт/см2 для зеленого лазера и 1,3 мкВт/см2 для красного лазера. Эти величины укладываются в требования СанПина и ИКАО. Нам необходимо будет определить яркость источника для обеспечения видимости в точке наблюдения, то есть, на расстоянии 15 км. Необходимо определить угловую расходимость лазерного луча, обеспечиваемую оптической системой. Угловая расходимость луча будет определять производительность сканирующей системы, производящей перемещение луча по строке и по кадру.
Поскольку угол развертки растра по горизонтали составляет 22, а по вертикали 3, то целесообразно строчную развертку осуществлять горизонтально (это определяется частотными параметрами сканеров).
Для обеспечения равномерности засветки растра предпочтительней выполнять сканирование по строкам, а не по столбцам (рис. 10).
При сканировании по строкам на границе между строками и на границе секторов наблюдаются незаполненные области, образующиеся за счет круглого сечения лазерного пятна, что приведет к неравномерности засветки растра. При сканировании по столбцам (рис.10 б) достигается более однородная засветка и ровная граница между секторами, но при этом сканеры должны работать на более высоких частотах сканирования. Об этом вопрос будет рассмотрен позже при выборе сканеров.
Расчет параметров коллимирующей оптики
Основываясь на сказанном выше, а также из данных графика рис. 26, можно сделать вывод, что системы сканирования на основе ЭО и АО не подходят для решения поставленной в техническом задании задачи. АО отклоняющие системы, при их высоком быстродействии и достаточном разрешении, имеют малый угол отклонения. В то время как ЭО системы обладают ещё большим быстродействием и большими по сравнению с АО углами отклонения, но обладают крайне низкой разрешающей способностью. Использование сканирующей системы на основе полигонального зеркала позволяет добиться больших углов и высокой точности сканирования на экстремально высоких скоростях, где погрешность стабильности скорости порой достигает минимального значения в 0.1%, при этом сохраняется возможность задавать положение луча с точностью порядка нескольких микрон. Основными параметрами, влияющими на качество растра, являются: кривизна линии сканирования, оптическое смещение луча и неоднородности сканирования. Эти факторы ограничивают применение оптических многогранников в системах получения экрана больших размеров.
Типовые характеристики частоты сканирования и разрешающей способности сканирующих систем на полигональных зеркалах приведены в табл. 9. Таблица 9.Типовые характеристики сканирующих систем на полигональных зеркалах. Длина волны, нм 350-10 600 Разрешающая способность, точек 100-50 000 Частота сканирования, обр./мин 1 000 - 55 000 Диаметр луча 1 мкм – 25 мм
Входной и выходной лучи сканирующей системы должны быть расположены в одной плоскости, которая является перпендикулярной к оси вращения зеркала. Ошибки в достижении данного условия приводят к смещению светового пятна на поверхности зеркала и появлению искривлений в линии сканирования. Смещение пятна описывается следующим соотношением: E = F sin (1 / cos – 1), (17) где F – фокальное расстояние линзы, – телесный угол, и – угол между входным лучом и плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Оптическая ось фокусирующей линзы должна совпадать с центром входного пучка источника лазерного излучения. Любая ошибка будет вызывать кривизну линии сканирования. Кривизна, внесённая входным лучом, не находящимся в плоскости перпендикулярной вращению может быть скомпенсирована наклоном оси объектива.
Вторым недостатком зеркала многогранника является факт вращения грани такого зеркала вокруг центра многогранника, а не центра, проходящего по грани. В связи с этим происходит некоторое небольшое смещение входного луча. Для предотвращения подобной проблемы требуется рассчитывать корректирующую оптику, взяв за основу большую апертуру. При производстве многогранных зеркал часто возникают погрешности в параллельности положения отражающей грани к оси вращения всего зеркала, а также могут быть допущены неточности в изготовлении центра зеркала, что приводит к биениям всего зеркала и проявляется в виде неоднородностей сканирования. Подобные ошибки должны быть скорректированы объективом до величин от до 1/10 толщины линии. При проектировании системы с разрешающей способностью 2400 точек на дюйм (система с высоким разрешением), допускается иметь ошибки менее 1 мм. Для компенсации таких неоднородностей применяются оптические системы смещений входного луча, цилиндрические и анаморфные линзы для создания анаморфного коллимированного луча на грани многогранника, а также допустимо использование специальных призм для автоматической корректировки.
Микромеханические зеркала позволяют проводить сканирование с большой частотой при малом потреблении энергии. Углы развертки в современных системах достигают значений в 32 градуса по каждой оси [17]. Микромеханические зеркала изготавливаются на едином кремниевом кристалле, что обеспечивает высокую степень повторяемости характеристик в каждом образце. Зеркала малых размеров размещаются прямо на чипе, при больших размерах зеркала размещаются вне кристалла.
Типовые коммерчески доступные микромеханические сканирующие системы имеют угол развертки по каждой из осей ±6 градусов, размер зеркала 0.8 мм и частоту сканирования 3.6 кГц. Диапазон рабочих температур от – 40 град С до +125 град С. Максимальный размер зеркала составляет 6.4 мм. Разрешающая способность микромеханических сканирующих систем составляет до 16384 точек по каждой оси.
Исследование изменения мощности оптического излучения
Из таблицы видно, что неоднородность освещенности по вертикали растра составляет около 4,5%, что, на наш взгляд, является вполне допустимой величиной. По горизонтали луч перемещается по строке, а, следовательно, яркость изменяться не будет, в то время как яркость по вертикали определяется коэффициентом перекрытия двух соседних строк. Количество строк определяется в основном частотными возможностями применяемых сканеров и коллимирующей оптикой. При угловой расходимости луча, равной 0,5 мрад, при коэффициенте перекрытия лучей K = 1,3 , наша сканирующая система позволила получить в растре 34 строки в пределах углового размера по вертикали в 3 угловых градуса.
Тем не менее, неоднородность яркости, которая не превышает 4,5%, как отмечалось выше, является вполне приемлемой для практики величиной.
Для того, чтобы визуально наблюдать высокое качество изображения в растре, необходимо увеличивать частоту сменяемости кадров, то есть увеличить коэффициент заполнения растра светом. В нашем случае она составляла 50 Гц, как наиболее часто применяемая в телевизионных системах отображения информации. Известно, что качество изображения большого формата зависит от разрешающей способности применяемой коллимирующей оптики [22] и воспроизводимости параметров работы применяемых сканеров [21]. Известно, что применяемые в наших исследованиях гальваносканеры, отличаются от других типов сканеров линейностью вращательных характеристик и большими углами сканирования [22]. В случае применения лазеров, работающих на длине волны 633 нм (красный цвет) и длине волны 520 нм (зеленый свет), сканирующая система позволяла получать цветное изображение с частотой сменяемости изображения 50 Гц. Нами обнаружено и исследовалось то обстоятельство, что имеющаяся временная задержка между импульсами излучения лазера и управляющими электрическими импульсами от контроллера, существенно влияет на качество изображения, которое является оценочным параметров сканирующей системы [27]. Тем более, что эта задержка у «красного» лазера отличается от подобной задержки у «зеленого» лазера и зависит она от интенсивности излучения лазера.
Ниже приводятся результаты измерения времени задержки включения лазеров в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Исследовались полупроводниковые лазеры с излучением красного (633 нм) и зеленого (520 нм) цвета мощностью 1,2 Вт и 0,8 Вт соответственно, входящие в состав сканера [27]. Для измерения временной задержки была собрана установка, состоящая из контроллера (плата), формирующего импульсы длительностью 100 микросекунд для включения лазера, и фотодиода с усилителем для контроля излучения. Определение времени запаздывания осуществлялось на двухканальном осциллографе.
Интенсивность излучения выставлялась на плате управления сканера и измерялась на приборе ИМО. Результаты измерений приведены на рис. 55, где по оси Х отложены интенсивности излучений в относительных единицах, причем максимальная мощность излучения зеленого лазера могла составлять 0,9 Вт, а красного 1,32 Вт. Время запаздывания - по оси У дано в микросекундах.
Из рисунка видно, что как для красного, так и зеленого лазеров запаздывание растет с уменьшением интенсивности. Это, очевидно, связано со слаботочными процессами, происходящими в схеме электрического питания лазеров и в самих лазерах [28].
Количественно влияние запаздывания можно оценить, приняв угол развертки луча по оси Х в 20 градусов. При этом время горизонтальной развертки луча будет равно 1 миллисекунде, а максимальная погрешность составит 1% для красного лазера и 1.6% для зеленого, что значительно превосходит погрешность, обусловленную разрешением и воспроизводимостью параметров сканеров. Из этого следует, что для улучшения качества изображения необходимо иметь одинаковую задержку у разных цветов (лазеров). Из графика на рис. 56 также следует, что различное время запаздывания для красного и зеленого лазеров будет приводить к смещению красного и зеленого растров у края изображения, Так, при времени горизонтальной развертки, равном 1 миллисекунде, запаздывание в 4 микросекунды будет составлять 0,4%, что при общей длине строчной развертки в 5 м приведет к смещению растров на 2 см.q