Энергетические параметры телевизионного визуализатора оптически прозрачных гетеросистем со свойством прогиба

УДК 681.7.013

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВИЗУАЛИЗАТОРА ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ГЕТЕРОСИСТЕМ СО СВОЙСТВОМ ПРОГИБА

В.А.Карачинов, М.В.Казакова, А.С.Ионов, А.В.Петров, Е.В.Хвостиков

ENERGY PARAMETERS OF TELEVISION VISUALIZER OF OPTICALLY-TRANSPARENT

HETEROSYSTEMS WITH DEFLECTION

VA.Karachrnov, М.V.Kazakova, А.S.Ionov, А.V.Petrov, Е.V.Khvostikov

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Polnovo@yandex.ru

Предложена оптико-геометрическая модель лазерно-телевизионной системы (ЛТС), построенной по методу расфокусированных решеток и работающей в режиме визуализации оптически прозрачных гетеросистем со свойством прогиба. В рамках модели разработана методика оценки энергетических параметров ЛТС. Теоретическими и экспериментальными методами в диапазоне расфокусировки Af = 8-18 выполнена количественная оценка контраста изображений точечных элементов решетки.

Ключевые слова: оптико-геометрическая модель, лазерно-телевизионная система, оптическая решетка, изображение, гетеросистема, прогиб, расфокусировка

The proposed optical-geometric model of laser-television system (LTS) is constructed by the method of defocusing lattices and it operates in the rendering mode of optically-transparent heterosystems with deflection. In the framework of the model a methodology for evaluation of the LTS energy parameters is developed. We performed a quantitative estimation of the contrast images of the lattice dot elements by theoretical and experimental methods in the defocusing range Af = 8-18. Keywords: optical-geometric model, laser-television system, optical lattice, image, heterosystem, deflection, defocusing

Введение

Известно, что оптически прозрачные гетеро-системы со свойством прогиба в виде тонких мембран широко представлены в различных областях техники и технологии [1-4]. При этом перекрывается довольно широкий диапазон по используемой площади активной поверхности мембран, что вызывает определенные трудности контроля качества прогиба и структурного совершенства используемых материалов. Для диагностики мембран большой площади наряду с интерферометрическими применяются теневые (решеточные) методы в рамках лазерно-телевизионных систем, обеспечивающих в пределах кадра визуализацию всего поля перемещений [5,6]. Важным этапом создания таких систем является разработка методики исследования их энергетических параметров. Решению поставленной задачи и посвящена данная работа.

Методика исследований

Исследования проводились с использованием лабораторного макета лазерно-телевизионной системы (ЛТС), работающей в режиме расфокусированных решеток [2], оптико-геометрическая модель которой приведена на рис. 1.

В фокальной плоскости коллиматора расположен источник света конечных размеров, излучающий изотропно. От коллиматора выходит параллельный пучок лучей, который, проходя через оптическую ячейку, светофильтр, основной объектив, решетку, фокусируется на приемнике излучения.

При проведении экспериментальных исследований использовался когерентный источник света — Не-№ лазер с длиной волны X = 0,63 мкм мощностью 3 мВт, излучение передавалось по открытому оптическому каналу. Перед основным объективом оптической системы был установлен красный светофильтр КС10 (для фильтрации фонового освеще-

Рис.1. Оптико-геометрическая модель ЛТС: 1 — источник света (лазер), 2 — коллиматор, 3 — входное окно оптической ячейки, 4 — мембрана оптической ячейки, 5 — светофильтр, 6 — объектив, 7 — решетка,8 — пЗс-матрица

ния), коэффициент пропускания которого на длине волны X = 600... 700 нм составлял тсф = 0,97.

Ы

та.

Рис.2. Модель точечной решетки

Оптическая ячейка была представлена входным окном из стекла и тонкой мембраной из полистирола, которая могла прогибаться под действием избыточного давления оптически прозрачной среды, например, воздуха [6]. В модельном представлении мембрана рассматривалась как афокальный мениск, радиусы первой и второй поверхности которого равны [6,7]. Визуализация прогиба мембраны осуществлялась с помощью точечной решетки (рис.2) по смещению изображения точек. В исходном состоянии шаг следования точек решетки по взаимно-перпендикулярным направлениям был одинаков и составлял 315 мкм, диаметр точки — 50^100мкм.

Результаты исследований и их обсуждение

Моделирование

В рассматриваемой системе (рис.1) лазерное излучение на пути от источника до объектива испытывает ослабление в оптической ячейке (ослабление при поглощении и отражении входного окна ячейки и мембраной из полистирола) и в светофильтре. Поскольку в исследуемой системе излучение от источника до объектива проходит через атмосферу незначительное расстояние (меньше 0,4 м), эффектами ослабления пренебрегаем и принимаем коэффициент пропускания атмосферы татм = 1.

Считаем также, что объектив коллиматора безаберрационный, поэтому от каждой точки источника от него выходит плоская световая волна, размер которой неограничен. Пренебрегая дифракционными явлениями на оправе объектива коллиматора, принимаем коэффициент пропускания коллиматора равным единице.

Мощность излучения от источника поток Рл0

(Вт) порождает световой поток P0 (Лм):

P0 = P0 .V • K.,

0 л0 max A' v '

где Vmax = 683 лм/Вт — максимальная спектральная эффективность при длине волны 0,554 мкм; относительная световая эффективность К(Л) = 0,265 при л = 0,63 мкм [4].

Коэффициент пропускания оптической ячейки определяется согласно выражению:

т = т • т ,

я ст м' 4 '

где тм — коэффициент пропускания мембраны.

При этом коэффициент пропускания входного окна оптической ячейки, выполненного из стекла толщиной 2,5 мм может быть найден как:

т = 1 - р - а

ст ст с

где рст =0,039, а<;т =0,05 — коэффициент отражения и поглощения стекла.

Зная коэффициент пропускания оптической ячейки и светофильтра, найдем световой поток, достигающий плоскости объектива оптической системы: р = р  т • Т ,.

об 0 я сф у >

Каждый точечный элемент решетки является полупрозрачным с коэффициентом пропускания тр, в

промежутках между ячейками коэффициент пропускания равен 1.

Полагаем, что решетка имеет размеры, перекрывающие угловое поле системы, т.е. /р > £>вх. Тогда получим диаметр круга решетки, участвующей в формировании изображения, как ограничителя потока излучения:

х = 2Af  tan

где Д/" = EF расфокусировка, tan(ZEFN) = Dвх/2F,

F — фокус объектива.

Число точек решетки, которые расположены в проекции осей NCK и ограничивают поток излучения на приемник, определяется из простого соотношения:

Х

n =

h '

p

Диаметр полученного изображения ячейки будет равен:

D

d1 = d .Р—!

Р1 р р х

Поскольку диаметр потока излучения ограничен объективом, линейное увеличение оптической системы Р = dПзJDBх .

Число пикселей, находящихся в диаметре решетки:

d , p1

П = —,т—. Px d

px

где dpx — размер пикселя.

Освещенность основного объектива определяем по известному соотношению [8]:

Р „

E = об

об S

об

где Sq6 =%• D^/4 — площадь поверхности объекти-

ва.

Тогда освещенность ПЗС-матрицы в местах изображения точечных элементов решетки будет равна:

E = Е , -г -г К-В

пзс_р об р об '

где тр и тоб = 0,81 — коэффициенты пропускания

точечных элементов решетки и основного объектива.

Освещенность же ПЗС-матрицы в местах изображения промежутка между точечными элементами решетки определяется как:

E = Е б • т б-в2.

пзс об об г

2

Следует отметить, что, проходя через тонкий мениск, излучение фокусируется в некоторой точке, которая вследствие малости толщины мембраны стремится к бесконечности [7]:

/

<•' м

(п -1)2 • d

мм

где пм = 1,59 — показатель преломления, гм — радиус кривизны, dм = 100 мкм — толщина мембраны.

Площадь поверхности объектива, через которую проходит световой поток, уменьшается, а мощность излучения, распределенная по ней, остается постоянной, и как следствие освещенность основного объектива увеличивается. Ближе к оптической оси освещенность не изменяется, поскольку радиус мембраны стремится к бесконечности. В то же время излучение, проходящее края мембраны, сильнее преломляется и усиливает освещенность некоторой области. При использовании толстых мембран с малыми радиусами кривизны поверхностей вместо входного диаметра объектива Dвх в формулах, приведенных выше, нужно использовать:

О •

вх м 0у

/ '

м

где 10 — расстояние от мембраны до основного объектива.

Контраст изображения точечных элементов решетки найдем согласно выражению:

К

Е - Е

-Е-"(1 - V

Рис.3. Зависимость освещенности ПЗС-матрицы при прохождении излучения через решетку от коэффициента пропускания точечных элементов решетки

В качестве примера на рис.3 приведена графическая зависимость, полученная расчетным путем, освещенности ПЗС-матрицы от коэффициента пропускания точечных элементов решетки, согласно которой ее абсолютное изменение в среднем не превышает 5Лк., что обеспечивает возможность визуализации прогиба мембраны [9].

Эксперимент

Проведенные экспериментальные исследования позволили получить ряд изображений точечных

2

п

г

м м

М, мм:

»• - - - *

ЛЙЙ

-----

10 12 14 16 18

В, гшкс 160

120

80

40

\ \ 2

""1 Г.....41 < ......V У .......... ? 1 ...... г

м и

\ 1 1 ,

К

0,75

0,5

0,25

8 10 12 14 16 18 ДГ?мм

Рис.4. Эволюция элемента

элементов решетки в диапазоне изменения величины расфокусировки А/ = 8^18 мм (рис.4а). Это дало возможность оценить значение контраста (рис.4б), максимальное значение которого хорошо совпадает с теоретическим значением (К = 0,7).

Следует отметить, что наблюдаемый характер изменения контраста изображения от расфокусировки (рис.4б) вызван дифракционными явлениями при огибании точечных элементов решетки [10]. При этом даже в условиях максимальной величины А/= 18 мм представляется возможным измерение достаточно малых отклонений расположения точечных элементов решетки и, как следствие, оценка прогиба мембраны.

Вывод

Разработанная методика в рамках предложенной оптико-геометрической модели позволяет оценивать энергетические параметры ЛТС, построенной по методу расфокусированных решеток и работающей в режиме визуализации оптически прозрачных гетеро-систем со свойством прогиба.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грант РФФИ 13-07-98800рсевера.

1. Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник / Под ред. Е.Л.Свинцова. М.: Техносфера, 2006. 588 с.

2. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Ильин С.В. Методы телевизионной термометрии гетерогенных систем. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 с.

3. Вольмир А.С. Гибкие пластины и оболочки. М.: Гостех-издат, 1956. 419 с.

4. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат. 1987. 112 с.

5. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. М.: Мир, 1973. 240 с.

6. Карачинов В.А., Ионов А.С., Карачинов Д.В., Петров А. В. Исследование оптически-прозрачных мембран телевизионным методом // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2012. №№1-2. С.148-149.

7. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989. 383 с.

8. Шрёдер Г., Трайбер Х. Техническая оптика. М.: Техносфера, 2006. 424 с.

9. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Чел-панов В.И. Оптимизация энергетических характеристик теневого телевизионного прибора на основе ПЗС-матрицы // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 2009. №°1-2. С.77-81.

10. Васильев Л.А. Теневые методы. М.: Наука, 1968. 400 с.

Bibliography

1. Fraiden Dzh. Sovremennye datchiki: Spravochnik / Pod red. E.L.Svintsova. M.: Tekhnosfera, 2006. 588 s.

2. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Il'in S.V. Metody te-levizionnoi termometrii geterogennykh sistem. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 s.

3. Vol'mir A.S. Gibkie plastiny i obolochki. M.: Gostekhizdat, 1956. 419 s.

4. Zhilin V.G. Volokonno-opticheskie izmeritel'nye pre-obrazovateli skorosti i davleniia. M.: Energoatomizdat. 1987. 112 s.

5. Khauf.V., Grigul' U. Opticheskie metody v teploperedache. M.: Mir, 1973. 240 s.

6. Karachinov V.A., Ionov A.S., Karachinov D.V., Petrov A.V. Issledovanie opticheski-prozrachnykh membran tele-vizionnym metodom // Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia. 2012. №1-2. S.148-149.

7. Rusinov M.M. Kompozitsiia opticheskikh sistem. L.: Ma-shinostroenie, 1989. 383 s.

8. Shreder G., Traiber Kh. Tekhnicheskaia optika. M.: Tekhno-sfera, 2006. 424 s.

9. Karachinov V.A., Razumovskaia A.O., Dzherenov I.G., Chelpanov V.I. Optimizatsiia energeticheskikh kharakteristik tenevogo televizionnogo pribora na osnove PZS-matritsy // Sistemy i sredstva sviazi televideniia i radioveshchaniia. 2009. №№1-2. S.77-81.

10. Vasil'ev L.A. Tenevye metody. M.: Nauka, 1968. 400 s.