Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

УДК 535.243

Роженцов Вадим Вячеславович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЛОКАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Мамедов Роман Камильевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Зверев В. А.
	доктор технических наук, профессор Кузьмин В. Н., Зам. генерального директора, Научно-техническое предприятие ТКА
Ведущая организация:	ОАО Азовский оптико-механический завод (ОАО АОМЗ)

Защита состоится л19 июня 2012 г. в  ч.  мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу:

190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан  л мая 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр.49, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. Осуществить разработку оптических методов измерений угловых пространственных и позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей;
2. Разработать и изготовить лабораторные установки для экспериментальной апробации и оценки метрологических возможностей разработанных методов;
3. Выполнить экспериментальные исследования влияния параметров установки для измерений угловых пространственных СФХ и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений;
4. Разработать методики контроля и осуществить калибровку установки для измерений угловых пространственных СФХ;
5. Разработать программный комплекс для обработки результатов измерений;
6. 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

1. Впервые показана и теоретически обоснована необходимость получения пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей для контроля качества и эффективности работы средств отображения визуальной информации.
2. Предложены оригинальные методы исследований и измерений пространственных СФХ локальных световых полей.
3. На основе экспериментальных данных получены  угловые пространственные распределения СФХ локальных световых полей и геометрические пространственные распределения СФХ по полю изображения локальных световых полей.
4. Разработан программный комплекс для обработки и визуального отображения результатов исследований пространственных СФХ самоизлучающих объектов.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований способствуют развитию методов исследований пространственной спектральной структуры локальных световых полей.

Практическая значимость

1. 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.
2. 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.
3. Разработанные средства метрологического обеспечения оценки совместимости оптических устройств с ПНВ аттестованы и внедрены органами государственной метрологической службы РФ.

Защищаемые положения

1. Метод измерений пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, обеспечивающий возможность оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.
2. Разработанные и изготовленные установки, позволяющие осуществлять измерения пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей.
3. Результаты исследований влияний параметров установки и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений.
4. Результаты исследования пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, учитывающие угловое пространственное распределение СФХ и геометрическое пространственное распределение СФХ по полю изображения.
5. Программный комплекс, обеспечивающий визуальное отображение результатов исследований пространственных спектральных фотометрических характеристик самоизлучающих объектов.
6. Методики калибровки установки для измерения угловых пространственных и спектральных фотометрических характеристик.
7. 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, XIIIамеждународные 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, определены основные направления исследования.

В первой главе диссертационной работы представлен аналитический обзор литературы по существующим средствам метрологического обеспечения и методам оценки совместимости оптико-электронных устройств с ПНВ. По результатам выполненного анализа практики решения задачи оценки совместимости адаптированных приборов с ПНВ выявлены следующие недостатки существующих методов:

• отсутствие учета углового пространственного распределения СФХ светового поля. Измерения спектральных плотностей энергетических фотометрических величин проводятся только по нормали к излучающей поверхности. Информация об угловом распределении спектральных плотностей энергетических фотометрических величин отсутствует, вследствие чего, невозможно определить углы обзора прибора и оценить совместимость прибора с ПНВ, при их различных взаимных пространственных положениях;
• отсутствие учета позиционно-пространственного распределения СФХ светового поля. В связи с тем, что излучающая поверхность оптических устройств имеет протяженность в пространстве, то СФХ, так же могут иметь неравномерность по полю изображения;
• отсутствие учета сложения световых полей. Адаптированные оптические устройства применяются комплексно, и рассматривать совместимость с приборами ночного видения по отдельности является не корректным.

Аналитический обзор указал и теоретически обосновал необходимость методов и средств метрологического обеспечения пространственных спектральных характеристик локальных световых полей для контроля качества и эффективности работы средств отображения визуальной информации.

Во второй главе приводится описание разработанной обобщенной схемы установки измерений угловых пространственных и позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей. В этой главе отражена информация о выполненных  теоретических и экспериментальных исследованиях влияния различных параметров изготовленной установки и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений:

1. Исследование влияния размера области измерений.

Оценка влияния области измерений на результат измерений производилась путем построения математической модели объекта, имеющего неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения, и проведению исследований для получения экспериментальных зависимостей относительной световой яркости от положения по оси поверхности излучения этого объекта. Для этого производились пошаговые измерения световой яркости при использовании трех диафрагм (0,3 мм, 1 мм, 2 мм), задающим размер области измерений. 

Анализ полученных результатов расчетов и измерений показал, чтоаразмер области измерений оказывает наибольшее влияниеана результатаизмерений для объектов, имеющих неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения. При этом дисперсия результатов измерений возрастает, при уменьшении размера области измерений (Рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительной световой яркости от положения области измерения для 3 различных размерах области измерений (0,3 мм, 1 мм, 2 мм).

2. Исследование влияния различных значений переднего отрезка и апертурного угла.

Результаты расчетов оптической системы представлены на Рис. 2. Данные Рис.2 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 можно определить оптимальные параметры оптической системы.

Рис. 2. 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 (0,332) мм.

3. 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. 3 (а, б) представлены графики зависимости параметра DТ/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.3 можно определить оптимальные параметры оптической системы измерений в зависимости от параметров объекта измерений, и наоборот.

Рис. 3. Графики зависимости параметра DТ/px от размера диагонали матрицы ЖК-дисплея для разных разрешений экрана:

а) для разрешения (1280720) пикселей.

б) для разрешения (19201080) пикселей.

Из Рис. 3 видно, что для области измерений 2 мм допустимо измерение матриц ЖК-дисплеев с размером диагонали до (635762) мм ((2530) дюймов) при разрешении экрана (19201080) пикселей. Для области измерений 6 мм возможны измерения матриц ЖК-дисплеев с размером диагонали до 1524 мм (60 дюймов) при разрешении экрана (1280720) пикселей и 2032 мм (80 дюймов) при разрешении экрана (19201080) пикселей.

При обеспечении параметра DТ/px равным 6 мм и апертурным углом 88апередний отрезок будет равным 1 мм. При уменьшении апертурного угла до 80 передний отрезок уменьшиться до 2,5 мм.

4. Исследование влияния дефокусировки.

Данные экспериментальные исследования были выполнены с использованием разработанной нами установки. В этих экспериментах проводились измерения световой яркости при 3 различных значений дефокусировки для 2 объектов измерений.

В результате выполненные исследований было установлено, что для объектов измерений с  равномерной структурой поверхности излучения, дефокусировка не оказывает существенного влияния на результаты измерений. В то же время, для объектов с неоднородной или периодической структурой поверхности излучений, результаты измерений могут иметь периодический разброс значений. На Рис. 4 представлены результаты измерений зависимости относительного значения световой яркости при изменении угла падения лучей для 3 значений дефокусировки. Как видно из Рис.4 для равномерно светящегося экрана с системой подсвета на основе люминесцентных ламп максимальное отклонение составило менее 3% (среднеквадратическое отклонение 1,7%) для расстояния дефокусировки L=10 мм, для расстояния дефокусировки L=30 мм максимальное отклонение увеличилось до 3%. Это обусловлено, главным образом, локальной неравномерностью по полю изображения самого объекта измерений.

Рис. 4. Зависимость относительного значения световой яркости при изменении угла падения лучей для объекта измерений с  равномерной структурой поверхности излучения.

На Рис. 5 проиллюстрированы результаты измерений матрицы ЖК-дисплея NL12876BC26-32D. Для этой ситуации среднеквадратическое отклонение 1,3% и 2% для расстояния дефокусировки L=10 мм и 30мм соответственно.

Рис. 5. Зависимость относительного значения световой яркости при изменении угла падения лучей для объекта измерений, имеющего неоднородную или периодическую структуру поверхности излучения.

Данные результатов измерений дают возможность сделать вывод о том, что при дефокусировке оптической системы относительно объекта измерений, среднеквадратическое отклонение результатов измерений составляет не более 3%.

5. Исследование влияния углового позиционирования объекта измерений.

Поскольку разработанная установка предполагает получение угловых фотометрических характеристик объекта измерений, было необходимым проверить влияние углового позиционирования объекта измерений. В связи с этим было проведено математическое моделирование оптической системы для определения изменения размера области измерений при изменении углового пространственного положения объекта измерений. Результаты модельных расчетов представлены на Рис.6.

Рис. 6. Зависимость диаметра области изменений при различных углах наклона объекта измерений.

Как следует из Рис.6, диаметр области измерений изменяется обратно пропорционально косинусу угла наклона объекта измерений. Эти данные в совокупности с результатами, полученной при исследовании влияния размера области измерений, свидетельствуют о необходимости расположения объекта измерений перпендикулярно оптической оси средства.

6. Исследование влияния технологического стекла объекта измерений.

В ряде случаев, объекты измерений отделены от внешней среды технологическими стеклами. Примером может явиться экран ЖК-дисплея и др. Эти технологические стекла имеют конкретные значения показателя преломления и могут по-разному вносить погрешность в результаты измерений угловых фотометрических величин. Нами была рассмотрена конкретная ситуация, где объект измерений был помещен под технологическое стекло толщиной 1,9 мм и показателем преломления 1,51.  В таблице 1 представлена зависимость величины радиуса области измерений после прохождения световым пучком стекла и углом падания светового пучка в диапазоне от 0 до 80. Диаметр светового пучка на входе 2 мм.

Таблица 1 .

, град	RТТ, мм
0	1
20	1,08
40	1,46
60	2,84
80	11,25

Полученные результаты исследований различных влияний параметров установки и условий экспериментов на метрологические параметры результатов измерений были учтены и использованы при проектировании установки измерений угловых пространственных СФХ локальных световых полей.

В Главе 2 так же содержится информация о предложенных и апробированных новых методиках калибровки оптической установки угловых пространственных измерений локальных световых полей.

Калибровка установки включает в себя 3 этапа:

- Калибровка угловых характеристик;

- Калибровка яркостных и колориметрических характеристик;

- Калибровка угловых фотометрических характеристик (косинусная поправка);

При калибровке угловых характеристик установки измерений главной задачей являлось точное соотнесение значения угла луча от источника излучения и адреса ячейки матричного ПЗС-приемника излучения. Для проведения калибровки использовался автоматизированный гониометр (Рис. 7).

Рис. 7. Трехмерная модель автоматизированного гониометра с установленным коллимированным многоцветным светодиодным источником света.

Коллимированный светодиодный многоцветный источник света установлен на автоматизированной высокоточной двухкоординатной вращающейся платформе гониометра. Точность углового позиционирования источника излучения менее 0,01.

Система координат пространственного углового положения поворотной системы связана через параметры с системой координат пространственного геометрического положения оптической системы. Взаимные смещения элементов системы угловой калибровки, выявляемые на различных этапах калибровки, показаны на Рис. 9.

Рис. 9. Взаимные смещения элементов системы угловой калибровки.

Путем задания необходимых различных угловых пространственных положений светодиодного многоцветного источника света регистрировались адреса ячеек матричного ПЗС-приемника излучения установки измерений. На основании полученной информации  производились  следующие действия:

а) Проводилась оценкаавеличины углового смещенияамежду оптической осьюаустановки измеренийаиаазимутальной механической осью автоматизированного гониометра;

б) Проводилась оценкаавеличины углового смещенияамежду оптической осьюаустановки измеренийаиа механической осью угла наклона автоматизированного гониометра;

в)  Производилась оценкаасмещения оптической оси от центра матричного ПЗС-приемника излучения;

г)  Проводилась операция линеаризации.

После выполнения всей совокупности описанных операций угловая калибровка считается выполненной.

Следующим этапом после угловой калибровки является калибровка яркостных и колориметрических характеристик.

Это обусловлено тем, что в качестве приемника излучения применяется монохромный матричный ПЗС-приемник излучения, имеющий широкий и нелинейный диапазон спектральной чувствительности. Для проведения калибровки яркостных и колориметрических характеристик были использованы 11 аттестованных абсорбционных светофильтров. В качестве источника излучения использовался равномерно светящийся экран с системой подсвета на основе люминесцентных ламп. Калибровку оптической системы производили методом компарирования. В качестве компарирующего средства измерений был использован спектрорадиометр Instrument Systems Spectro 320 DTS320-201.

Результаты калибровки яркостных и колориметрических характеристик представлены на Рис.10,11 и Таблице 2.

Рис. 10. Результаты измерений спектральной плотности интенсивности излучения.

Таблица 2.  Результаты измерений источника излучения с аттестованными светофильтрами

Цвет	Название фильтра	Цветовые координаты		Световая яркость
		x	y	L, кдм-2
Белый	White	0,353	0,335	510,1
Красный	Bright Red 026	0,677	0,318	73,9
Оранжевый	Bastard Pink 779	0,549	0,324	382,0
Желтый	Deep Amber 104	0,497	0,480	745,7
Зеленый 1	Lee Green 121	0,355	0,535	581,7
Зеленый 2	Twichenham Green 736	0,251	0,710	71,4
Зеленый 3	Dark Green 124	0,224	0,565	246,4
Зеленый 4	Mallard Green 325	0,140	0,387	48,9
Голубой	Lagoon Blue 72	0,162	0,192	166,7
Синий	Tokyo Blue 071	0,154	0,027	6,5
Пурпурный	Bright Pink 128	0,434	0,199	186,2

Рис. 11. Диаграмма цветности результатов измерений 11 аттестованных светофильтров в системе xy МКО 1931.

Предложенная методика калибровки позволяет установить абсолютные значения измеряемых спектральных фотометрических и колориметрических величин, как применительно к разработанной установке, так и другим аналогичным средствам измерений.

Еще одна калибровка необходима для компенсации изменения яркости, вызванной разницей длины хода лучей, входящих в оптическую систему под разными углами. Эта калибровка  угловых фотометрических характеристик оптической системы (косинусная поправка) была осуществлена посредством измерения световой яркости светового экрана с компенсирующей пленкой, дающей равную интенсивность излучения во всех направлениях.

По результатам проведенной калибровки установлено, что при изменении азимутального угла наклона контролируемого источника излучения изменение световой яркости практически отсутствует (Рис. 12).

Рис. 12. Результаты измерений зависимости относительной световой яркости

от азимутального угла.

Более того, установлено, что зависимость световой яркости от угла наклона контролируемого источника излучения для малых углов наклона (до 30) практически совпадает с зависимостью Ламбертовского источника излучения. При углах наклона больших 88 измеренная световая яркость составляет 30%  от яркости Ламбертовского источника излучения (Рис. 13).

Рис. 13. Зависимость относительной световой яркости от угла наклона для 3 типов источников излучения.

В третье главе описаны разработанные методы определения угловых пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. Здесь же приводятся описание оптических и функциональных разработанных установок, а так же результаты их экспериментальных исследований.

Предложенные методы последовательно рассматриваются в соответствующих разделах данной главы. На основании экспериментальных исследований выявляются достоинства и недостатки каждого из предложенных методов и аппаратуры.

Для решения задачи определения угловых пространственных спектральных характеристик локальных световых полей был предложен метод, основанный на сочетании спектрорадиометрического и гониофотометрического методов измерений и условно названный нами гониоспектрорадиометрическим методом. Для экспериментальной апробации данного метода была предложена и реализована гониоспектрорадиометрическая установка, оптическая схема  которой приведена на Рис. 14.

Рис. 14. Оптическая схема гониоспектрорадиометрической установки.

С помощью данной установки были выполнены пошаговые измерения спектральной плотности энергетической фотометрической величины объекта измерения при его повороте на заданные углы. По результатам измерений светодиодного источника излучения были рассчитаны для данного и последующих методов угловые пространственные распределения силы света, координаты цветности в системе МКО 1976, пространственные распределения спектральной плотности силы света. Результаты измерений позволили оценить абсолютные значения различных фотометрических характеристик объекта измерений, получить информацию о форме распределения фотометрических характеристик объекта измерений, произвести оценку совместимости с ПНВ 3-го поколения класса А тип 1, выявить зависимость спектральных распределений фотометрических величин излучения от угла обзора. В частности, из детального анализа результатов измерений многоцветного светодиодного источника излучения (Рис. 15) видно, что при изменении угла обзора сила света уменьшилась на 70%, а спектр излучения источника сместился на величину = 5 нм в коротковолновую область спектра. Изменение спектра излучения объекта измерений, в свою очередь, привело к изменению координат цветности.

Рис. 15. Угловое пространственное распределение спектральной плотности силы света светодиодного источника излучения для спектрального диапазона (380930) нм.

Таким образом, данный метод позволяет на практике решить задачу определения пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. К недостаткам данного метода следует отнести:

1. Длительность проведения измерений;
2. Влияние для разных углов позиционирования объекта измерений на размеры и форму области измерений объекта;
3. Необходимость математической коррекции результатов измерений.

Другой предложенный альтернативный метод измерений угловых пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей основан на использовании сканирования Фурье-образа волоконным спектрометром. На базе этого метода была разработана и рассчитана оптическая схема Фурье-анализатора (Рис. 16).

Рис. 16. Оптическая схема установки измерений, основанная на использовании сканирования Фурье-образа волоконным спектрометром.

Результаты эксперимента, выполненные с помощью собранной на базе данного метода и оптической схемы установки, приведены на Рис. 17,18. В этих экспериментах, производились пошаговые измерения спектральной плотности энергетической фотометрической величины по полю Фурье-образа 2 объекта измерений.

Рис. 17. Спектральная плотность энергетической силы света в зависимости от угла наклона для азимутального угла =0.

Рис. 18. Угловое пространственное распределение нормированной энергетической силы света.

Результаты выполненных экспериментов определили следующие преимущества данного метода и установки:

1. Значительно меньшее время измерений;
2. Отсутствие влияние для разных углов позиционирования объекта измерений на размеры и форму области измерений объекта;
3. Возможность получения угловых пространственных СФХ объекта измерений с разрешением до 0,5.

Использование описываемого метода позволяет решить задачу определения угловых пространственных спектральных характеристик локальных световых полей и, в свою очередь, способствует усовершенствованию существующих методов измерений.

К недостаткам метода можно отнести то, что для получения картины углового распределения спектральной плотности энергетической фотометрической величины необходимо перемещение точечной диафрагмы в плоскости Фурье-образа и проведение измерений в заданных точках.

С учетом установленных выше недостатков и целью дальнейшего усовершенствования метода измерений угловых пространственных СФХ  локальных световых полей была разработана и предложена схема установки с использованием Брэгговской решётки и матрицы микролинз (Рис. 19).

Рис. 19. Оптическая схема установки измерений с использованием Брэгговской решётки.

Предложенный подход позволяет получать угловое распределение фотометрических величин в узком спектральном диапазоне, задаваемом положением Брэгговской решётки, за один акт измерения.

Результаты  экспериментальной апробации представлены на Рис. 20.

Рис. 20. Результаты экспериментального исследования для длины волны 550 нм:

а) Изображение, полученное с матричного приемника излучения;

б) Угловое пространственное распределение интенсивности излучения объекта измерений (полярная система координат);

в) Индикатриса интенсивности излучения объекта измерений с наложенной искусственной палитрой для создания цветового контраста (полярная система координат).

Из анализа полученных результатов экспериментальных исследований следует, что при одинаковой с предыдущем методом информационной эффективностью, этот метод позволяет получить угловое пространственное распределение СФХ объекта измерений для узкого спектрального диапазона за один акт измерений. К недостаткам данного метода можно отнести необходимость высокой степени коллимации падающего на Брегговскую решетку светового пучка и наличие механических поворотных элементов  для выделения узкого спектрального диапазона.

Как показали результаты экспериментов все вышеописанные методы и установки, к сожалению, не позволили наиболее эффективным образом решить поставленную задачу с помощью более простых технических средств. Наиболее узким местом во всех предложенных установках являлась необходимость использования в установках механических поворотных устройств для получения,  в конечном счете, угловых пространственных СФХ.

Уйти от необходимости использования в установках механических поворотных устройств и тем самым принципиально усовершенствовать предложенные ранее методы измерений позволяет использование акустооптического метода.

По сравнению с различными предложенными ранее методами измерений Акустооптический метод измерений пространственных СФХ локальных световых полей обладает рядом неоспоримых достоинств. Главным достоинством является отсутствие механических поворотных элементов для выделения узкого спектрального диапазона, Перестройка по спектру осуществляется полностью за счет электронного управления, которое может задаваться компьютером. Это даёт в ряде случаев значительное уменьшение времени измерений. Акустооптические фильтры характеризуются высоким спектральным разрешением, (до нескольких ангстрем), а также быстрой перестройкой по спектральному диапазону. Спектральные системы на основе акустооптических фильтрах являются компактными и обладают высокой надежностью.

Оптическая схема установки, реализующей предложенный метод, представлена на Рис. 21.

Рис. 21. Оптическая схема установки с использованием двойного акустооптического фильтра.

Результаты  экспериментальной апробации представлены на Рис. 22.

Рис. 22. Результаты экспериментального исследования для длины волны 550 нм:

а) Угловое пространственное распределение интенсивности излучения объекта измерений (сферическая система координат);

б) Угловое пространственное распределение интенсивности излучения объекта измерений (полярная система координат);

в) Индикатриса интенсивности излучения объекта измерений (для азимутального угла =0).

Выполненные исследования показали, что предложенный и апробированный метод пространственных спектральных измерений локальных световых полей не содержит  недостатков своих аналогов и имеет ряд достоинств:

• Возможность перестроения выделяемой длины волны;
• Произвольная спектральная адресация;
• Достаточно высокое спектральное разрешение при большой пространственной и угловой апертуре;
• Двойная фильтрация излучения обеспечивает повышенный контраст и более узкую полосу пропускания.

Таким образом, Акустооптический метод позволяет наиболее эффективным образом решить поставленную в диссертации задачу и полностью удовлетворяет требованиям, выдвинутым в Главе 1.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке методов и средств измерений позиционно-пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, обеспечивающих возможность оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.

Первоначально была проанализирована возможность использования традиционного спектрорадиометрического метода для измерений позиционно-пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. Для экспериментальной апробации данного метода была использована гониоспектрорадиометрическая установка, оптическая схема  которой была ранее приведена на Рис. 14.

Результаты экспериментальных исследований показали, что использование данного метода в целом позволяет решить задачу определения позиционно-пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. Однако отмечены следующие недостатки данного метода:

1. Длительность проведения измерений;
2. Точечность характеристик светового поля объекта измерений.

Поскольку данный метод и установка измерений не может быть эффективно использована для поставленной задачи, было необходимо осуществить разработку методов и аппаратуры применительно измерению позиционно-пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей.

Анализ достоинств и недостатков предложенных методов измерений, описанных в Главе 3, со всей очевидностью показал, что наилучшими спектроаналитическими возможностями применительно к поставленной задаче  обладает метод, основанный на использовании перестраиваемого акустооптического фильтра изображения.

Поэтому для определения позиционно-пространственных спектральных фотометрических характеристик локальных световых полей, был так же использован предложенный метод измерений, основанный на узкополосной спектральной акустооптической фильтрации изображения локального светового поля, регистрации полученного гиперспектрального изображения светового поля и вычислению пространственных спектральных фотометрических характеристик светового поля.

Экспериментальная апробация осуществлялась на изготовленной нами установке (Рис. 23).

Рис. 23. Оптическая схема акустооптической установки измерений позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей.

Полученные экспериментальные данные обрабатывались посредствам разработанного программного комплекса, позволяющего обрабатывать сигнал с приемника излучения и представлять их в виде визуального отображения пространственных СФХ самоизлучающих объектов (Рис. 24, 25).

Рис. 24. Позиционно-пространственное распределение интенсивности излучения объекта измерений (светодиодное светосигнальное табло красного цвета) на различных узких спектральных диапазонах.

Рис.25. Позиционно-пространственное распределение интенсивности излучения объекта измерений (а, б), линейные (в, г) и  логарифмические (д, е) гистограммы изображения для спектрального диапазона =(635640) нм:

Результаты измерений позволили оценить абсолютные значения различных спектральных фотометрических и колориметрических характеристик (спектральная плотность энергетической яркости, световая яркость, координаты цветности в системе МКО 1976) объекта измерений, получить информацию о характере позиционно-пространственного распределения СФХ объекта измерений по полю изображения, произвести оценку совместимости с приборами ночного видения (ПНВ) 3-го поколения класса А тип 1. Предложенный метод позиционно-пространственных спектральных измерений локальных световых полей не содержит вышеуказанных недостатков и имеет ряд достоинств:

• Возможность перестроения выделяемой длины волны;
• Произвольная спектральная адресация;
• Достаточно высокое спектральное разрешение при большой пространственной и угловой апертуре;
• Двойная фильтрация излучения обеспечивает повышенный контраст и более узкую полосу пропускания.

Таким образом, использование предложенного метода и аппаратуры на его основе решает задачу определения позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей и позволяет при измерениях позиционно-пространственных СФХ протяженных источников излучения исключить процедуру сканирования по поверхности источника.

Основные результаты и выводы:

1. Сформулирована и теоретически обоснована необходимость получения пространственных СФХ локальных световых полей.
2. Предложены методы измерений угловых пространственных и позиционно-пространственных СФХ локальных световых полей, обеспечивающие возможность оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.
3. Спроектированы и изготовлены установки для экспериментальной апробации и оценки метрологических возможностей разработанных методов.
4. На основе результатов экспериментов получены  угловые пространственные распределения СФХ локальных световых полей и геометрические пространственные распределения СФХ по полю изображения локальных световых полей.
5. Проведенные экспериментальные исследования влияния параметров установки для измерений угловых пространственных СФХ и условий экспериментов позволяют исключить влияние рассмотренных факторов на метрологические параметры результатов измерений.
6. Разработаны методики контроля и калибровки установки для измерений угловых пространственных СФХ.
7. Разработан программный комплекс для обработки и визуального отображения результатов исследований пространственных СФХ самоизлучающих объектов.
8. Аттестованы и внедрены органами государственной метрологической службы РФ разработанные средства метрологического обеспечения оценки совместимости оптических устройств с ПНВ.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Проблемы и перспективы пространственных спектральных измерений локальных световых полей. // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия Наука и образование, Выпуск №1(117), стр. 193-298, 2011 г.

2. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Гониоспектрорадиометрический метод определения пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. // Изв. вузов. Приборостронение. №11/2011 , стр. 60-65.

3. Роженцов В.В., Дудник В.В., Падалко Г.Г. Определение высоты пространственного спектрального сканирования приемником дальнего ИК-диапазона. // Вестник ДГТУ, Том 11, Выпуск №4(55), стр. 500-504, 2011 г.

4. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Техника и методы пространственных спектральных измерений. // Сборник трудов Международной научной школы для молодежи  Методология и организация деятельности в сфере высоких технологий. Изд-во Политехн. ун-та, стр. 124-127, 2010 г.

5. Роженцов В. В., Мамедов Р. К. Средства метрологического обеспечения пространственного спектральных измерений локальных световых полей. Сборник тезисов докладов IX Международной научно-практической конференции Исследование, разработка и применениеавысоких технологий в промышленности. стр. 399-401, Том 4, 2010 г.

6. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Средства метрологического обеспечения пространственного спектрального анализа локальных световых полей. // Сборник тезисов докладов VII Всероссийской Межвузовской конференции молодых ученых. Выпуск 2 - СПбГУ ИТМО, стр. 59-61, 2010 г.

7. Роженцов В. В., Мамедов Р. К. Метод пространственных спектральных измерений локальных световых полей// Сборник тезисов докладов VIII Всероссийской Межвузовской конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, стр. 127-128, 2011 г.

8. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Гониометрический метод определения пространственных спектральных характеристик локальных световых полей. // Сборник статей Международной научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применениеавысоких технологий в промышленности. стр. 389-391, Том 3, 2011 г.

9. Роженцов В. В., Мамедов Р. К.  Средства метрологического обеспечения пространственного спектрального анализа локальных световых полей. Сборник тезисов докладов I Всероссийского конгресса молодых ученых. Выпуск 2. Труды молодых ученых // СПб НИУ ИТМО, стр. 19-21, 2012 г.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям