Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор современных методов оценки совместимости оптико-электронных устройств с приборами ночного видения . 12
1.1 Принципы действия ПНВ. 13
1.2 Основные технические характеристики и схемы ПНВ. 15
1.2.1 Спектральная чувствительность 15
1.2.2 Коэффициент усиления потока излучения - 20
1.2.3 Автоматическая регулировка усиления 20
1.2.4 Тип оптической системы ПНВ 20
1.3 Основы понятия совместимости с ПНВ. 27
1.4 Методы оценки совместимости с ПНВ 29
1.4.1 Метод экспертной оценки совместимости внутрикабинного СТО с ПНВ. 33
1.4.2 Метод измерений с использованием фильтрующего радиометра. 37
1.4.3 Спектрорадиометрический метод измерений. 39
1.5 Выводы по Главе 1 47
ГЛАВА 2. Исследование влияния параметров установки измерений пространственных сфх на результат измерений и методы ее калибровки 49
2.1 Обобщенная структурная схема установки измерений СФХ. 49
2.2 Принцип действия установки измерений пространственных СФХ локальных световых полей . 52
2.2.1 Входная собирающая оптическая система. 52
2.2.2 Диспергирующий блок 56
2.2.3 Фотоприемный блок 59
2.3 Исследование влияния технологических и конструктивных параметров установки на результаты измерений. 60
2.3.1 Исследование влияния размера области измерений. 61
2.3.2 Исследование влияния оптических параметров входной собирающей оптической системы. 68
2.3.3 Исследование влияния размера и разрешения объекта измерений. 70
2.3.4 Влияние дефокусировки. 72
2.3.5 Исследование влияние углового позиционирования объекта измерений. 79
2.3.6 Исследование влияния неоднородности по полю изображения объекта измерений. 82
2.3.7 Исследование влияния технологического стекла объекта измерений. 83
2.4 Разработка методик калибровки установки измерений угловых пространственных СФХ локальных световых полей. 86
2.4.1 Методика калибровки угловых характеристик. 86
2.4.2 Методика Калибровки яркостных и колориметрических характеристик. 93
2.4.3 Методика Калибровки угловых фотометрических характеристик ( косинусная поправка). 98
2.5 Выводы по Главе 2. 103
ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальные исследования методов угловых пространственных измерений СФХ локальных световых полей . 104
3.1 Гониоспектрорадиометрический метод. 104
3.2 Метод измерений угловых пространственных СФХ на использовании сканирования Фурье-образа . 115
3.3 Метод измерений метод измерений угловых пространственных СФХ с использованием объемной Брэгговской решётки. 130
3.4 Акустооптический метод измерений угловых угловых пространственных СФХ. 145
3.5 Выводы по Главе 3. 153
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование методов измерений позиционно-пространственньгх СФХ локальных световых полей . 155
4.1 Понятие спектрального изображения. 155
4.2 Спектрорадиометрический метод измерений позиционно-пространственных СФХ . 161
4.3 Акустооптический метод измерений позиционно-пространственных СФХ 169
4.4 Выводы по Главе 4 177
Заключение 178
Список литературы 179
- Спектральная чувствительность
- Принцип действия установки измерений пространственных СФХ локальных световых полей
- Метод измерений угловых пространственных СФХ на использовании сканирования Фурье-образа
- Спектрорадиометрический метод измерений позиционно-пространственных СФХ
Введение к работе
Актуальность работы
Современный этап развития оптической науки и техники является динамично развивающимся процессом, для которого характерны тенденции развития оптических и оптоэлектронных приборов и систем, формирующих и отображающих визуальную информацию не только в плоскости, но и в пространстве. Оптические характеристики таких приборов и систем могут зависеть от угла обзора, т.е. от их пространственного положения относительно наблюдателя. Более того, в связи с тем, что излучающая поверхность подобных устройств имеет протяженность в пространстве, то спектральные оптические характеристики, так же могут иметь неравномерность спектральной фотометрической величины по полю изображения. Описанные зависимости характерны для устройств, использующих жидкокристаллические матрицы, интерференционные и поляризационные покрытия, анизотропные материалы. Эффективность и качество функционирования таких приборов и систем определяется необходимостью обеспечения высокого качества пространственного оптического изображения и реализацию улучшенных спектральных характеристик световых полей. В этой связи, возникает потребность в разработке оптических методов, технологий и средств измерений, которые бы позволяли контролировать спектральные фотометрические характеристики локальных световых полей, как с учетом их углового пространственного распределения, так и с учетом геометрического пространственного распределения по полю изображения.
Особую актуальность информация о пространственных спектральных характеристиках световых полей обретает в тех случаях, когда наблюдения приборов и систем осуществляется в условиях темновой и цветовой адаптации человеческого глаза, а так же посредством специальных систем наблюдения (например, систем ночного видения). Одним из отраслевых направлений, требующих наличия информации о пространственных спектральных характеристиках световых полей с учетом вышеупомянутых условий наблюдения является авиация, где существует задача оценки совместимости оптических устройств с приборами ночного видения (ПНВ).
Цель работы
Разработка оптических методов и средств измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик (СФХ) локальных световых полей, учитывающих угловое пространственное распределение СФХ и геометрическое пространственное распределение СФХ по полю изображения, обеспечивающих практическую возможность оценки совместимости оптических приборов и систем с ПНВ.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Осуществить разработку оптических методов измерений угловых пространственных и позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей;
-
Разработать и изготовить лабораторные установки для экспериментальной апробации и оценки метрологических возможностей разработанных методов;
-
Выполнить экспериментальные исследования влияния параметров установки для измерений угловых пространственных СФХ и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений;
-
Разработать методики контроля и осуществить калибровку установки для измерений угловых пространственных СФХ;
-
Разработать программный комплекс для обработки результатов измерений;
-
Аттестовать и внедрить разработанные средства метрологического обеспечения в органах государственной метрологической службы РФ.
Методы исследования
Гониоспектрорадиометрический метод;
Метод измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей на использовании сканирования Фурье-образа волоконным спектрометром;
Акустооптический метод;
Метод измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, базирующийся на использовании Брегговской решетки.
Научная новизна
-
Впервые показана и теоретически обоснована необходимость получения пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей для контроля качества и эффективности работы средств отображения визуальной информации.
-
Предложены оригинальные методы исследований и измерений пространственных СФХ локальных световых полей.
-
На основе экспериментальных данных получены угловые пространственные распределения СФХ локальных световых полей и геометрические пространственные распределения СФХ по полю изображения локальных световых полей.
-
Разработан программный комплекс для обработки и визуального отображения результатов исследований пространственных СФХ самоизлучающих объектов.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований способствуют развитию методов исследований пространственной спектральной структуры локальных световых полей.
Практическая значимость
-
На базе разработанных методов спроектированы и изготовлены установки, которые позволяют проводить измерения пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей и, тем самым, реализовать практическую возможность оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.
-
Предложенные методы могут быть использованы для создания устройств получения оптических гиперспектральных изображений, перспективными для работы совместно с запатентованной коллиматорной индикаторной системой, входящих в комплекс системы синтезированного видения.
-
Разработанные средства метрологического обеспечения оценки совместимости оптических устройств с ПНВ аттестованы и внедрены органами государственной метрологической службы РФ.
Защищаемые положения
-
Метод измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, обеспечивающий возможность оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.
-
Разработанные и изготовленные установки, позволяющие осуществлять измерения пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей.
-
Результаты исследований влияний параметров установки и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений.
-
Результаты исследования пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, учитывающие угловое пространственное распределение СФХ и геометрическое пространственное распределение СФХ по полю изображения.
-
Программный комплекс, обеспечивающий визуальное отображение результатов исследований пространственных спектральных фотометрических характеристик самоизлучающих объектов.
-
Методики калибровки установки для измерения угловых пространственных и спектральных фотометрических характеристик.
-
Результаты аттестации и внедрения средств метрологического обеспечения оценки совместимости оптических устройств с ПНВ органами государственной метрологической службы РФ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: IX, XI, XIII международные научно-практические конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г., 2011 г. , 2012 г.), VII, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г., 2011 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.), Международная научная школа для молодежи «Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий» (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.), XVI Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.), XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе три статьи в изданиях перечня ВАК, а так же Патент на изобретение №2364902, Патент на полезную модель №73502, аттестованная методика выполнения измерений (Свидетельство об аттестации МВИ №05/2010).
Выполненные в рамках диссертационной работы исследования поддержаны двумя индивидуальными грантами Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в 2010 и 2011 годах (№8204р/12650 № 9578р/14221) и грантом комитета по науке и высшей школе Правительства г. Санкт-Петербурга в 2011г. (№ 3.5/13-05/87-А).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 72 наименований, содержит 165 страницы основного текста, 102 рисунка, 16 таблиц.
Спектральная чувствительность
Очки ночного видения (ОНВ) являются важным помощником экипажа летательного аппарата (ЛА), которые расширяют возможности для удачного выполнения задач в ночных условиях. Коэффициент усиления светового потока в несколько тысяч дает четкие, яркие изображения от очень низкого уровня естественного освещения, таких как тусклый свет звезд. Человеческий глаз, не использующий вспомогательное оборудование, был бы не способен увидеть их. Таким образом, экипаж ЛА, с очками ночного видения, установленными на шлеме пилота, может смотреть вокруг и наблюдать окружающее закабинное пространство, чтобы изучить физические особенности местности, особенности ландшафта, потенциальные цели, другой ЛА и.т.д. почти также эффективно как в нормальных дневных условиях. Эти приборы предназначены для наблюдения закабинного пространства ЛА в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) от 1 лк до 5х10"4 лк. Область чувствительности ПНВ находится в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне, а так же захватывает часть видимого спектрального диапазона (62(Н930) нм. Эффективность работы очков ночного видения может быть в значительной степени нивелирована вследствие их засветки внутрикабинными источниками светового излучения, если их оптические параметры не были рассчитаны на работу совместно с ПНВ. Это, в свою очередь, ставит задачу адаптации оптических приборов и систем к ПНВ, а так же оценки оптических характеристик приборов и систем работающих совместно с ПНВ.
Задача адаптации оптических приборов и систем к ПНВ обуславливает потребность в разработке оптических методов, технологий, средств измерений и оценки совместимости оптических приборов и систем, работающих совместно с ПНВ. В связи с этим возникает понятие «Совместимость с приборами ночного видения». Это понятие обозначает наличие требований для проектирования, тестирования, и испытания оборудования, работающего совместно с ГШВ.
Стоит отметить, что понятие «Совместимость с приборами ночного видения» было введено впервые в стандарте MIL-L-85762A и на текущий момент присутствует в нескольких стандартах.
Для описания методов обеспечения совместимости с ГШВ и ее оценки необходимо понимать основные физические принципы работы самого ПНВ.
Принципы действия ПНВ. ПНВ представляют собой пассивный бинокулярный прибор, принцип действия которого основан на усилении яркости изображения наблюдаемой картины электронно - оптическими преобразователями (ЭОП) и переводу усиленного изображения в спектральную область чувствительности человеческого глаза (Рис. 1.1).
Объектив 1 проецирует изображение предмета в плоскость фотокатода. Функция распределения яркости по поверхности объекта В0(х,у), несущая информацию о предмете, с помощью объектива ПНВ превращается в функцию распределения освещенности Е(х,у) на фотокатоде ЭОП.
Каждая область фотокатода 2 с помощью фотоэлектронной эмиссии испускает фотоэлектроны е пропорционально падающему потоку излучения. Тем самым преобразует оптическое изображение предмета в электронное распределение плотности фотоэмиссионного тока ji(x,y). Электронное изображение предмета фотоэлектронами е передается на входную поверхность микроканальной пластинки (МКП) 3 и формирует на ней распределение электронного потока. j}(x,y).
МКП представляет собой полых стеклянных труб, сплавленных вместе, чтобы сформировать тарелку, но с каждой трубкой, взаимодействует независимо как электронный множитель.
KB представляет собой сотовую структуру (для круглых МКП, обычно, в виде двенадцатиугольника с рифлеными границами) из множества (500-Н000) регулярно расположенных и спеченных вместе шестиугольных микроканальных сот (МКС), а каждая сота состоит из множества (5000- -10000) регулярно расположенных и спеченных вместе миниатюрных трубчатых каналов, диаметр которых может составлять 2—12 мкм, а плотность порядка (0,5- -5)x106 см"2
Поскольку отверстия каналов занимают не всю площадь входа (прозрачность входа w обычно около 0,6), то часть электронов на входе теряется, остальные поступают в каналы, усиливаются, и в выходной плоскости МКП создается усиленное электронное изображение j2(x, y)=Mj\(x, у), причем коэффициенты усиления каналов предполагаются совершенно одинаковыми. Это электронное изображение передается на люминесцентный экран, где и преобразуется в оптическое распределение яркости Вэ(х, у), то есть визуализуется. При этом общее усиление по яркости Вэ/В0 достигает десятков тысяч, что и позволяет наблюдать объекты в условиях естественной ночной освещенности на местности. 1.2 Основные технические характеристики и схемы ПНВ.
К основным техническим характеристикам ПНВ, определяющим критерии оценки совместимости оптико-электронных устройств с ПНВ, относятся: - спектральная чувствительность; - коэффициент усиления потока излучения; - автоматическая регулировка усиления; - тип оптической системы ПНВ. Спектральная чувствительность
Спектральная чувствительность приёмника излучения - отношение величины, характеризующей уровень реакции приёмника, к потоку энергии монохроматического излучения, вызывающего эту реакцию.
Спектральная чувствительность ПНВ является основной характеристикой ПНВ. Она определяется спектральной чувствительностью ЭОП и спектральной коэффициентом пропускания светофильтров на входе оптической системы ПНВ.
Принцип действия установки измерений пространственных СФХ локальных световых полей
Определим минимальное значение параметра D /px, который обеспечит результат измерений не зависящий от места положения по полю изображения.
С помощью упрощенной геометрической модели попробуем оценить влияние параметра D /px на точность измерений. В качестве модельного дисплея возьмем цветной ЖК-дисплей со вертикальным расположением полос пикселей одного цвета. Размерами межпиксельной сетки пренебрежем.
Наличие антибликового покрытия выразим через приближенный коэффициент контраста РСТ. Сигнатура дисплея Sd отписывает состояние дисплея при включенном одном типе субпикселей. Таким образом, она равна 1 при заполнении экрана одним типом субпикселей (1/3 пикселя), в обратном случае он равна 1/РСТ. Сигнатура области измерений Ss равна 1 при попадании в область измерений, в обратном случае равна 0.
Для оценки измеряемого сигнала, обе сигнатуры будут свернуты и результат будет нормирован к отношению 1/3. Как видно из Рис.2.8 и 2.9, изменение интенсивности излучения будет наблюдаться при перемещении области измерений по горизонтальной оси матрицы ЖК-дисплея.
Тип системы подсвета Светодиодный Средством измерения являлась фотоколориметрическая установка EZLite 120R с тремя различными диафрагмами. Размеры отверстий диафрагм: 0,3 мм, 1 мм, 2мм. Размер диаметра диафрагмы задает размер области измерений для используемой оптической системы.
Цель проводимого эксперимента - получить экспериментальные зависимости с использованием разных диафрагм относительной световой яркости от положения по горизонтальной оси матрицы ЖК-дисплея.
Для получения экспериментальных зависимостей производили пошаговые измерения световой яркости с использованием соответствующей диафрагмы. Измерительную головку перемещали вдоль горизонтальной матрицы ЖК-дисплея с шагом 30 мкм. Значения световой яркости для разных диафрагм были нормированные относительно значений, полученных с использованием диафрагмы №3 с диаметром отверстия 2 мм. Значения, указанные по оси абсцисс, являются относительным изменением положения области измерений по горизонтальной оси матрицы ЖК-дисплея. Результаты измерений представлены на Рис. 2.10:
Результаты измерений зависимости относительной световой яркости от положения области измерения при 3 различных размерах области измерений (0,3 мм, 1 мм, 2мм). Анализ полученных результатов расчетов и измерений показал, что размер области измерений оказывает наибольшее влияние на результат измерений для объектов, имеющих неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения. При этом видно, что дисперсия результатов измерений возрастает, при уменьшении размера области измерений. На Рис. 2.10 представлены графики, при которых значение коэффициента DVpx варьируется от 1,07 до 7,14.
По результатам измерений можно сделать вывод о том, что результаты измерений, полученные при размере области измерений 2 мм, допустимы. Таким образом, параметр DVpx должен быть выше 7.
На Рис. 2.12 представлен график зависимости среднеквадратичного отклонения результатов измерений световой яркости, полученной при использовании разных диафрагм (результаты измерений, соответствующие данным Рис. 2.10), от размера области измерений. Очевидно, что результаты расчетов, предложенной теоретической модели, хорошо согласуются с результатами измерений, полученными на трех размерах области измерений.
Для того чтобы среднеквадратичное отклонение результатов измерений не превышало ± 1%, размер области измерений должен быть не менее 6. Это условие позволит избежать влияния размера области измерений на результат измерений для объектов, имеющих неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения 2.3.2 Исследование влияния оптических параметров входной собирающей оптической системы.
Одной из основных характеристик оптической системы является апертура.
Данная характеристика описывает способность оптической системы собирать свет и противостоять дифракционному размытию изображения. В зависимости от типа оптической системы эта характеристика может быть линейным или угловым размером. В нашем случае, объект измерений ближний, поэтому апертуру измеряют в угловом виде — апертурным углом а . Апертурный угол а -это угол между лучом, идущим из осевой точки предмета и проходящий через край апертурной диафрагмы, и оптической осью.
Диаметр передней линзы оптической системы зависит от апертуры и переднего отрезка. Геометрическая зависимость размера передней линзы от переднего отрезка и апертурного угла представлена на Рис. 2.13.
Основные соотношения Фурье-объектива. С практической точки зрения, передний отрезок предпочтительней как можно больше. В свою очередь, это приводит к увеличению диаметра передней линзы объектива. Для отображения этой зависимости были проведены расчеты и построен график, который показывает связь диаметра передней линзы и апертурного угла при различных размерах фокального отрезка (Рис. 2.13). Результаты расчетов оптической системы представлены на Рис. 2.14. Данные Рис.2.14 позволяют наглядно получить информацию о взаимозависимости диаметра передней линзы оптической системы от апертурного угла при различных значениях переднего отрезка. На основании полученных кривых Рис.2.14 можно определить оптимальные параметры оптической системы.
График зависимости размера передней линзы от величины максимального апертурного угла при различных передних отрезках. В диссертационной работе была использована оптическая система с передним отрезком 5 мм, апертурным углом 60 размером области измерений (0,33-2) мм.
Исследование влияния размера и разрешения объекта измерений. В рамках данных исследований расчетным путем была установлена взаимозависимость параметров оптической системы измерений угловых пространственных СФХ локальных световых полей и параметров объекта измерений, имеющего неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения.
На Рис. 2.15 (а, б) представлены графики зависимости параметра D /px (отношение диаметра области измерений к размеру пикселя) от размера объекта измерений для двух стандартных разрешений экрана при различных диаметрах области измерений.
На основании полученных данных Рис. 2.15 можно определить оптимальные параметры оптической системы измерений в зависимости от параметров объекта измерений, и наоборот. DVpx при разрешение (720x1280) пикселей
Графики зависимости параметра DVpx от размера диагонали матрицы ЖК-дисплея для разных разрешений экрана: а) для разрешения (1280x720) пикселей, Ь) для разрешения (1920x1080) пикселей. Из графика 2.15 видно, что для области измерений 2 мм допустимо измерение матриц ЖК-дисплеев с размером диагонали до (635- -762) мм ((25- 30) дюймов) при разрешении экрана (1920x1080) пикселей. Для области измерений 6 мм возможны измерения матриц ЖК-дисплеев с размером диагонали до 1524 мм (60 дюймов) при разрешении экрана (1280x720) пикселей и 2032 мм (80 дюймов) при разрешении экрана (1920x1080) пикселей.
При обеспечении параметра D /px равным 6 мм и апертурным углом 88 передний отрезок будет равным 1 мм. При уменьшении апертурного угла до 80 передний отрезок уменьшиться до 2,5 мм. Исследование влияния дефокусировки. Увеличение апертурного угла оптической системы приводит к уменьшению ее переднего фокального отрезка при сохранении остальных оптических параметров оптической системы. Передний фокальный отрезок в данном случае будет равен (Рис. 2.16)
Метод измерений угловых пространственных СФХ на использовании сканирования Фурье-образа
Данные недостатки создавали ограничения на использование вышеупомянутого метода. В силу изменения геометрии области измерений при вращении объекта измерений (визир оставался неподвижным) был обнаружен предельный угол, при котором ещё возможны корректные измерения.
Следующим этапом решения задачи обеспечения угловых пространственных спектральных измерений локальных световых полей являлось устранение выявленных недочетов данного метода. Метод измерений угловых пространственных СФХ локальных световых полей на использовании сканирования Фурье-образа.
Для устранения обнаруженных ограничений Гониоспектрорадиометрического метода обеспечения угловых пространственных спектральных измерений локальных световых полей необходимо было заменить измерения угловых пространственных характеристик путем углового сканирования объекта измерений, реализуемых в предыдущем методе, посредством управления поворотом объекта на трёхкоординатной угловой подвижке. Также, в качестве возможного пути решения проблемы было предложено рассмотреть возможность получения спектра излучения без сканирующих диспергирующих элементов, в качестве которого в спектрорадиометрическом методе использовалась отражательная дифракционная решётка спектрорадиометра. Таким образом, предполагалось, увеличить скорость измерений и избежать искажения формы и размера области измерений при различных угловых положениях объекта измерений.
После проведенного анализа замечаний нами предложен альтернативный метод измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей на использовании сканирования Фурье-образа волоконным спектрометром. Смысл разложения по Фурье (иначе - гармонического анализа) заключается в представлении любой непрерывной на заданном интервале функции, удовлетворяющей условиям Дирихле, в качестве совокупности (суммы) гармоник различных частот. Применительно к оптической обработке информации это означает, что любое изображение, которое может быть аналитически представлено в виде функции пропускания (например, для транспаранта) или яркости (как в рассматриваемом случае) от пространственных координат, может быть представлено в виде суммы дифракционных решеток с синусоидальным профилем штриха различных периодов и дифракционной эффективности. Поскольку угол дифракции на решетке зависит от ее периода (частоты решетки), то волна, дифрагировавшая на каждой такой решетке фокусируется в фокальной плоскости линзы в точках, отстоящих от главной оптической оси линзы на расстояние r=fkv, где / - фокусное расстояние оптической системы, v - пространственная частота решетки, измеряемая как правило в обратных линейных единицах, например, -і миллиметрах (мм ) или линиях (штрихах) на миллиметр. Сумма этих дифракционных максимумов, образованных дифрагировавшими на каждой элементарной решетке волнами и образует Фурье-спектр (Фурье-образ) изображения.
Упомянутый подход верен для теоретического идеализированного случая выполнения Фурье-преобразования идеальной тонкой линзой. В реальном же эксперименте аберрации системы вносят три вида погрешностей в плоскости Фурье-образа: фазовую, амплитудную и частотную.
Поскольку все приемники излучения являются, так называемыми «квадратичными», т.е. регистрируют не комплексную амплитуду, а интенсивность. То при непосредственных измерениях в частотной плоскости экспоненциальный член, входящий в выражение, описывающее распределение комплексных амплитуд в фокальной плоскости, не регистрируется, а обращается в 1 посредством умножения на комплексно сопряжённый множитель. В эксперименте в качестве приёмника излучения выступал линейный ПЗС-приемник излучения.
Уменьшение влияния остальных двух аберраций достигается за счёт использования подходящей для данной задачи оптической системы. Чтобы выявить критерии, которым такая оптическая система должна удовлетворять, следует более детально рассмотреть причины погрешностей, возникающих при Фурье-преобразовании, осуществляемом тонкой линзой.
Оптическая система (Рис. 3.11) состоит из сферической линзы L. Плоскости Pi и Р2 расположены перед линзой и за ней на расстояниях d и f, соответственно, где f фокусное расстояние линзы. Ось z совпадает с главной оптической осью линзы, в плоскости Pi примем координаты х,у, а в плоскости Р2 - vx,vy.
Пусть в плоскости Р] находится транспарант, амплитудное пропускание которого т(х,у) описывается выражением
Принципиальная оптическая схема, реализующая Фурье-преобразование Пусть Е{х,у) и E(t,r\,z) - распределения комплексных амплитуд в плоскости Pi и Р2, соответственно, расстояния между плоскостями равно z. Рассматривая схему рис. 3.11 без линзы, можно заметить, что выражение, связывающее комплексные амплитуды в рассматриваемых плоскостях описывается дифракционным интегралом Френеля-Кирхгофа где г - расстояние от точки ,т плоскости Р2 до точек плоскости Рь дающих свой вклад в амплитуду в этой точке, к = І7Т/Л- волновое число, 6 - угол между осью z и нормалью к плоскости Рі в точке х,у, COS0- коэффициент наклона, учитывающий различия в количестве света, излучаемого из плоскости Pj в разных направлениях. Легко заметить, что если в схеме рис. 3.11 присутствует тонкая
Таким образом, для определения амплитуды в точке ( ,ri) необходимо найти выражение для длины оптического пути г к этой точке от точек х,у. Обычно при выводе выражения, показывающего, что положительная линза реализует двумерное Фурье- преобразование используют параксиальное приближение: подстановка которого в (3.11) и дает требуемое выражение. Однако, точное выражение для г имеет следующий вид
Первый интеграл в полученном выражении с точностью до фазового множителя равен Фурье-образу распределения Е(х,у). Второй же член выражения может рассматриваться как погрешность оптического преобразования Фурье, выполняемого идеальной положительной линзой. Если знаменатель подынтегрального выражения второго слагаемого существенно больше числителя, то и само второе слагаемое становится пренебрежимо малым. Для этого, как видно из (3.17), необходимо соответствующим образом подобрать соотношение максимальных значений х,у и ,г, т.е. апертуры в соответствующих плоскостях, и фокусное расстояние линзы.
Рассмотрим этот вопрос подробнее для того, чтобы получить количественную оценку погрешности оптического преобразования Фурье в зависимости от параметров оптической схемы. Для этого перепишем выражение (3.17) в виде
В (3.16) были введены новые переменные, имеющие смысл пространственных частот. Нетрудно видеть, что идеальная положительная линза формирует Фурье 120 образ не в своей фокальной плоскости, а на сфере радиуса/ Эта сфера касается фокальной плоскости только в точке ее пересечения главной оптической осью, а в фокальной плоскости формируется проекция Фурье-образа (сформированного на сфере). Соответственно, при измерениях в плоскости возникают систематические ошибки.
Отличия полученного выражения от точного в том, что введенная нами пространственная частота \ІХ зависит не только от координаты , но также и от координаты г). Последней зависимости в строгом определении преобразования Фурье быть не должно. Аналогично и для частоты \іу. Эта зависимость от «чужой» координаты и определяет частотную погрешность.
Спектрорадиометрический метод измерений позиционно-пространственных СФХ
В предыдущей главе разработаны методы угловых пространственных измерений СФХ. По причине того, что излучающая поверхность оптико-электронных устройств имеет протяженность в пространстве, то СФХ, так же могут иметь неравномерность по полю изображения. В связи с этим, необходимо разработать методы позиционно-пространственных измерений СФХ, провести экспериментальные исследования и проверку на физических моделях практической реализуемости установок измерений позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей, оценку работоспособности выбранного в Главе 2 алгоритма работы и обработки измерительной информации.
Провести разработку методов позиционно-пространственных измерений СФХ на базе установок и полученных результатов экспериментальных исследований методов угловых пространственных измерений.
Понятие спектрального изображения. Актуальность и необходимость позиционно-пространственных спектральных измерений протяженных источников света была описана в Главе 1.
Измерение позиционно-пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей является получением спектрального изображения (в англоязычной литературе "Spectral Imaging") объекта измерений, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов.
Данный термин физически основан на двух понятиях: оптическое изображение и спектрометрия.
В обобщенном смысле оптическим изображением называется распределение света в пространстве, воспроизводящее форму и положение светящих объектов, характер их свечения и оптические свойства среды, в которую они светят. Поскольку изучение распределения света составляет предмет фотометрической теории светового поля, то оптическим изображение считают ее основным понятием, раскрывающим качественную сущность изучаемого явления. Количественно распределение света характеризуются фотометрическими величинами, представляющими собою отношение светового потока (мощности излучения) к различным единицам измерения пространства (площади, объема, телесного угла и т.д.). Множества значений таких величин в рассматриваемой области пространства и есть световые поля. Любые из них (освещенности, яркости, светового вектора и т.д.) являются пространственными оптическими изображениями.
Качество изображения определяется количеством информации, которое может быть извлечено из нее и из следующего списка наиболее общих параметров, которые характеризуют полученное изображение:
1. Пространственное разрешение, характеризуемое размером наименьших объектов, различимых на изображении. Значение пространственного разрешения зависит в основном от длины волны, числовой апертуры входного объектива, увеличения и размера пикселя матричного приемника излучения. Два последних играют важную роль, потому что они определяют частоту дискретизации, которая должна быть достаточно высокой, чтобы добиться полного разрешения. Пространственное разрешение также зависит от качества сигнала.
2. Самый низкий распознаваемый сигнал зависит от квантовой эффективности приемника излучения (чем выше, тем лучше), уровня шумов системы (чем ниже, тем лучше), числовой апертуры оптической системы (чем выше, тем лучше) и качества оптических элементов. Это особенно важно в случаях, когда количество фотонов или общее время, отведенное для измерений, ограничены.
3. Динамический диапазон получаемого сигнала определяет число различных уровней интенсивности, которые могут быть выявлены в изображении. Он зависит от максимально возможного числа электронов в каждом пикселе, а также от самого низкого различимого сигнала (по существу, это соотношение этих двух величин). Однако, если измеренный сигнал настолько низкий, что прибор с зарядовой связью, хорошо связанный с пикселем, заполнен лишь частично, динамический диапазон будет ограничен соответственно. Например, если прибор с зарядовой связью заполнен только на 10% своей максимальной емкости, динамический диапазон уменьшится на 10% от его номинальной величины. 4. Поле зрения определяет максимальную зону, которая может быть отображена. 5. Другие параметры включают в себя продолжительность воздействия (обычно определяется приемником излучения) и биннинг пикселей ПЗС для достижения лучшей чувствительности (за счет изменения пространственного разрешения). Биннингом называется процесс суммирования зарядов смежных ячеек в один суперпиксель в процессе считывания информации из матричного ПЗС-приемника излучения.
В настоящее время доступны как ПЗС-приемники излучения, так и фотоумножители и другие оптические приемники излучения превосходного качества. Тем не менее, каким бы не был хорошим приемник излучения, всегда будут присутствовать внутренние шумы (дробовой шум), которые невозможно избежать. Если насчитывается п фотонов, то дробовой шум, подчиняясь пуассоновскому распределению, имеет стандартное отклонение приблизительно ситуация может быть улучшена только за счет увеличения интенсивности сигнала, продолжительности воздействия или обоих показателей одновременно.
В реальных измерениях присутствует множество недостатков, которые снижают качество изображения: автофлоуресценция, неспецифическое окрашивание, обесцвечивание и другие. Но их следует отличать от физических ограничений, накладываемых электронно-оптической системой, как таковой, и природой света.
Спектрометрией называют совокупность методов и теория измерений спектров электромагнитного излучения и изучение спектральных свойств веществ и тел в оптическом диапазоне длин волн. Основными задачами Спектрометрии являются: теория спектральных приборов, модельное рассмотрение условий измерений в типовых вариантах, разработка критериев сравнения приборов, способов оптимизации условий и режимов измерений с целью получения наиболее точных результатов за наименьшее время.
