Введение к работе
Актуальность проблемы
К приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации относятся, в том числе, производственные технологии, в число которых, несомненно, входят и оптические технологии
Раздел «Оптоэлектроника» входит в «Перечень критических технологий Российской Федерации»
И, наконец, в «Основных направлениях фундаментальных исследований в России» в раздел 1 3 «Оптика и лазерная физика» входит подраздел 13 7 « Прецизионные оптические измерения»
Таким образом, повышение чувствительности оптико-физических измерений путем нелинейной регистрации и обработки изображений является весьма актуальной задачей
Оптическая обработка фотографических изображений, позволяющая повысить чувствительность оптико-физических измерений на этапе регистрации или анализа фотоснимка, необходима для решения целого ряда задач
- обработке фотографий интерференционных картин при исследовании
параметров разреженных потоков в аэродинамических и ударных трубах,
исследовании волновых аберраций прецизионных оптических элементов и
систем, в том числе зеркал резонаторов мощных газовых лазеров специального
назначения, исследовании шероховатости сверхгладких поверхностей таких
зеркал,
выявлении малоконтрастных деталей изображений на рентгеновских снимках, например, трещин или толщины оболочек тепловыделяющих элементов малогабаритных ядерных реакторов,
улучшении качества малоконтрастных изображений, например, практически нечитаемого текста или иного изображения, сфотографированного сквозь помеху, или перебитого номера корпуса автомобиля или двигателя
При помощи наиболее распространенной двухлучевой интерферометрии и визуальной оценки величины сдвига интерференционных полос можно производить измерения с погрешностью Х/20 — Я/50, где X - длина волны используемого излучения Для источников видимого диапазона погрешность измерений примерно 10 нм, что вполне достаточно для большинства случаев
Существует целый ряд задач, для решения которых чувствительность интерференционных измерений должна быть повышена при помощи простых средств на один или два порядка К таким задачам, в частности, относится исследование обтекания тел на баллистических трассах малой плотности, то есть имитация полета искусственного спутника Земли в верхних слоях атмосферы, исследовании формы зеркал уникальных телескопов, зеркал оптических резонаторов, измерение интерференционными методами формы шероховатости полированных сверхгладких поверхностей с максимальным уклонением Ra менее 1 нм, измерении высоты ступеньки на отражательной голографической решетке
К настоящему времени разработано множество методов повышения чувствительности интерференционных измерений, но большинство из них имеет очень узкие рамки применения Так, например, многолучевая интерферометрия может быть применена только при исследовании поверхностей с коэффициентом отражения R, близким к единице Методы, основанные на многократном прохождении зондирующего излучения сквозь исследуемую среду, в большей степени подвержены влиянию вибраций и воздушных потоков, а также могут быть реализованы только в простейших схемах интерферометров (Майкельсона, Тваймана - Грина, Физо)
Голографическим методам повышения точности и чувствительности измерений сопутствуют все ограничения голографии по вибрациям и воздушным потокам
Отдельно следует отметить, что предлагаемые в данной работе методы оптической обработки изображений ни в коем случае не противопоставляются методам фотоэлектрической обработки изображений, а дополняют эти методы
Иными словами, оптические методы должны улучшать картину до такой степени, чтобы ее фотоэлектрическая обработка была возможно более простой
Развитие и широкое применение автоматизированных сканирующих систем для интерферометрии, рентгеновской техники, тепловидения и других отраслей изменили представление о роли фотографических материалов в физических экспериментах и измерениях
Фотоматериалы принято рассматривать как оптическое запоминающее устройство, способное не только накапливать, но и преобразовывать анализируемую информацию, в частности, преобразовывать рентгеновский, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны в видимый, для обработки которого создано значительно большее число матриц и оптических устройств
И, наконец, разрешающая способность по полю фотослоев до сих пор на порядок превосходит разрешающую способность фотоприемных матриц
Так, например, при использовании в качестве фоторегистратора фотослоев типа МИКРАТ на 1 мм2 помещается 0,09 МПк, а на стандартном кадре размером 24 х 36 мм — уже 77,7 МПк
Кроме того, в случае необходимости размер снимка может быть повышен до размеров 300 х 400 мм, и тогда на нем будет записано 10 800 МПк
Диссертанту неизвестны промышленно изготовляемые и доступные широкому кругу пользователей матрицы с аналогичными характеристиками
В процессе выполнения данной работы автору пришлось ответить на следующие вопросы или конкретизировать их
всегда ли интерференционная картина может быть зарегистрирована в нелинейном режиме, и в каких случаях такая регистрация приводит к повышению чувствительности измерений, а в каких, в лучшем случае, бесполезна, а иногда даже вредна,
что следует понимать под термином высококонтрастная интерференционная картина,
от каких параметров интерферометра и лазера численно зависит коэффициент повышения чувствительности измерений,
как известные критерии чувствительности измерений связаны между собой в различных интерференционных методах,
каким образом можно теоретически определить чувствительность интерференционных измерений при нелинейной фоторегистрации,
в каких областях интерференционных измерений целесообразнее всего использовать нелинейную фоторегистрацию, а в каких — метод дифференцирования (оконтуривания) интерференционных полос,
фотоматериалы с какими характеристиками наиболее эффективны для применения метода дифференцирования интерференционных полос,
в каких областях интерференционных измерений наиболее эффективно использовать метод псевдоцветного кодирования интерферограмм,
в каких областях исследования рентгенограмм наиболее целесообразно применение метода псевдоцветного кодирования изображений и какие характеристики псевдоцветной картины позволяют говорить о повышении чувствительности измерений по сравнению с исходной картиной
Исходя из вышеперечисленного, и были сформулированы цели настоящей работы
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы являются
-теоретическое и экспериментальное доказательство возможности повышения чувствительности интерференционных измерений путем обострения экстремумов полос за счет использования нелинейности характеристической кривой используемого при фоторегистрации фотоматериала,
-теоретическое и экспериментальное доказательство возможности
повышения точности и чувствительности интерференционных измерений
путем оптического дифференцирования, или оконтуривания
интерференционных полос,
теоретическое и экспериментальное доказательство за счет псевдоцветового кодирования интерференционной картины, возможности повышения точности и чувствительности интерференционных измерений и повышения информативности рентгеновских медицинских и технических изображений при их освещении взаимно дополнительными цветами в прямом и в рассеянном свете
разработка рекомендаций по регулированию чувствительности измерений путем выбора типа фотоматериала и режима его обработки, разработка методики проведения измерений повышенной чувствительности на стандартных двухлучевых интерферометрах и апробация разработанного метода при исследовании некоторых параметров оптических элементов,
-теоретическое доказательство превосходства абсорбционных светофильтров перед интерференционными при использовании протяженных источников света
Достижение поставленных целей сопровождалось решением следующих задач:
уточнение терминов «чувствительность» и «точность» интерференционных измерений применительно ко всем высокоточным методам интерференционных измерений, а также их взаимосвязи с параметрами интерференционной картины,
анализ взаимосвязи между параметрами интерференционной картины, ее зарегистрированного образа - интерферограммы и характеристической кривой фотоматериала при нелинейном режиме фоторегистрации,
анализ взаимосвязи между распределением интенсивности света в исходной интерференционной картине, ее интерферограмме и распределением интенсивности света при освещении интерферограммы монохроматическими наклонными пучками,
-теоретическое и экспериментальное исследование факторов, влияющих на чувствительность измерений и анализ распределения интенсивности цвета и его колориметрического состава при освещении интерферограммы двумя или более дополнительными цветами,
разработка методики нелинейной фоторегистрации интерференционных картин, включающей в себя выбор фотоматериала и определение наиболее целесообразных для данных условий режимов нелинейной регистрации,
разработка методики анализа интерферограмм в диффузном освещении монохроматическим светом, включающей в себя выбор материала по зернистости фотослоя, величины вуали и определении оптимального угла освещения интерферограмм,
разработка методики псевдоцветового кодирования интерферограмм при освещении их по нормали и наклонным пучками дополнительных цветов,
Объект исследования
Объектом исследования являлись изображения на фотослое — интерференционные картины и рентгенограммы, а также характеристики изделия, для изучения которых были получены интерферограммы и рентгенограммы - отклонение формы поверхности зеркал от ближайшей сферы сравнения, шероховатость поверхности зеркал, внутреннее строение тепловыделяющих элементов шарового типа
Методика исследования
При решении поставленных задач использовался математический аппарат, применяемый в теоретической интерферометрии, теория аппроксимации характеристических кривых фотоматериалов, применяемая в классической фотометрии и денситометрии, экспериментальные исследования производились с применением стандартного интерферометрического и голографического оборудования
Научная новизна
-
Теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения чувствительности интерференционных измерений путем выделения экстремумов полос за счет нелинейного режима фоторегистрации
-
Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена взаимосвязь чувствительности интерференционных измерений с распределением интенсивности в полосах регистрируемой интерференционной картины, параметрами характеристической кривой фотоматериала и положением рабочей точки относительно характеристической кривой при нелинейном режиме фоторегистрации
-
Экспериментально подтверждена эффективность метода нелинейной фоторегистрации, обеспечивающего повышение чувствительности измерений более чем на порядок, то есть уменьшение погрешности измерений до величин У300
-
Теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения чувствительности интерференционных измерений путем дифференцирования контуров полос
-
Теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения чувствительности интерференционных измерений путем одновременного освещения интерферограммы двумя дополнительными цветами
-
Теоретически и экспериментально обоснована возможность наблюдения многолучевых интерференционных картин в отраженном свете за счет отфильтровывания составляющей нулевого порядка
-
Теоретически обосновано преимущество абсорбционных стеклянных светофильтров перед интерференционными при углах падения света на светофильтр более 10 градусов
Практическая ценность и значимость
Разработанные методики оптического анализа изображений и выработанные рекомендации по оптимальному применению методов позволяют повысить точность и чувствительность уже действующих,
промышленно выпускаемых двух- и многолучевых интерферометров, рентгеновских аппаратов, фотометров, колориметров и микроколориметров без внесения значительных конструктивных изменений в оптические схемы приборов
Основные положения, выносимые на защиту
-
Критерий сравнительной чувствительности интерференционных измерений S, определенный как предел отношения чувствительностей предлагаемых и базового метода, за который взята двухлучевая интерферометрия с видностью картины V= 1 по всему полю интерференции
-
Способ повышения чувствительности интерференционных измерений путем выделения экстремумов полос на стадии фоторегистрации, основанный на использовании фотоматериалов с резко выраженной нелинейностью характеристической кривой
-
Аналитические зависимости, устанавливающие однозначную взаимосвязь между видностью интерференционной картины, параметрами характеристической кривой фотоматериала и сравнительной чувствительностью измерений
-
Способ повышения чувствительности интерференционных измерений путем дифференцирования интерференционных полос и их псевдоцветового кодирования
-
Способ повышения информативности черно-белых изображений путем их псевдоцветового кодирования
-
Способ инвертирования многолучевой интерференционной картины за счет отфильтровывания нулевого порядка
Публикации
По теме диссертации опубликовано 40 работ, из них 18 входит в список работ, рекомендуемый ВАКом, в том числе 9 изобретений, заявок на изобретения и патентов РФ 3 статьи опубликованы в США
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном семинаре «Физические методы исследования прозрачных неоднородностей» в 1983 и 1984 гг в городе Москва, на конференциях-конкурсах НИР Подольского научно-исследовательского и технологического института в 1985 и 1987 гг , на 50 и 51 научно-технических конференциях преподавателей СГГА в 2000 и 2001 гг , на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь 2006», и «ГЕО-Сибирь 2007», на Всероссийской заочной электронной конференции (фундаментальные исследования) в 2007 г
Личный вклад автора:
выбор общего направления исследований,
постановка конкретных задач в процессе выполнения эксперимента,
участие в проведении экспериментов,
построение математических моделей процессов и явлений,
анализ результатов моделирования,
интерпретация экспериментальных данных
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения Она изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 32 иллюстрации и список литературы из 78 наименований
