ХРОНОГРАФИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ КАЛИБРОВКИ РАБОЧЕГО ПОЛЯ ЭКРАНА

Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для измерений и исследований импульсных инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых излучений, сопровождающих быстропротекающие процессы, например, при проведении физических измерений в ядерной физике, измерений параметров плазмы, лазерных излучений и т.д.
Известен патент США [1] в котором описываются измерения геометрических искажений изображения на выходном экране электронно-оптического преобразователя (ЭОП) или хронографического электронно-оптического регистратора (ЭОР) с помощью линейно изменяющего сигнала медленной развертки (~1 с) посредством пространственной и временной модуляции поля входного источника света. Таким образом, на выходном экране формируется изображение в виде двумерного множества ярких засветок, которое при поправке на геометрические искажения, должно создать структуру в виде линейной сетки. Заданная определенным образом пространственная модуляция налагается на плоское поле источника света путем установки сетки на выходную поверхность источника света, временная модуляция источника света осуществляется посредством использования электронных элементов или с помощью механического прерывателя. Такая калибровка не распространяется на создание одновременных контуров на выходном изображении или на корректировку нелинейных скоростей разверток ЭОР, что является существенным недостатком устройства [1].
Проблема калибровки временной развертки электронно-оптических регистраторов является актуальной и представлена в [2, 3, 4, 5 - разработки ФГУП НИИИТ]. Известные способы и устройства имеют, как правило, 5-10 фиксированных по времени точек на линии развертки и не обеспечивают корректировку геометрических искажений изображений, полученных на рабочем поле экрана.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является хронографическое электронно-оптическое устройство для измерения параметров импульсных световых излучений с калибровкой временной оси, содержащее электронно-оптический регистратор (ЭОР), в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) которого вдоль оси расположены фотокатод, ускоряющий и фокусирующие электроды, анод, подключенные к высоковольтному источнику питания, горизонтальные отклоняющие
M
P
П
M
П
пластины, подключенные к выходу блока развертки, вертикальные отклоняющие пластины, соединенные с блоком калибровочных меток, ускоряющий электрод, соединенный с блоком гашения, экран, усилитель-формирователь, вход которого является входом ПУСК ЭОР, выходы - соединены соответственно со входами блока развертки и гашения, блок импульсного подсвета фотокатода, вход которого соединен со входом ПУСК КАЛИБРОВКА, выходы соединены соответственно со входом блока калибровочных меток и входом ПУСК ЭОР усилителя-формирователя, блок входной оптики, установленный перед фотокатодом ЭОП (5). В устройстве (5) калибровка временной развертки хронографического ЭО регистратора осуществляется путем подачи на специальную калибровочную систему гармонических меток времени, период которых должен быть меньше длительности развертки не менее чем в 5 - 10 раз, причем, в процессе калибровки Т≥1,1Т, ≤Т, где Т - время действия калибровочных меток, Т - время действия импульса подсвета фотокатода, импульс подсвета фотокатода и подачу электрических калибровочных меток осуществляют одновременно с подачей напряжения развертки. Хронографический ЭОР (5) используется для регистрации световых излучений в широком диапазоне длительностей разверток от 1,0 не до 100 мкс на весь экран и поэтому имеет широкую область применения. Недостатком его является неудовлетворительная погрешность, связанная с отсутствием возможности калибровки пространственной составляющей изображения регистрируемого сигнала, т.е. отсутствие возможности отображения (регистрации) геометрических искажений полученных изображений и их корректировки. При этом погрешность измерения пространственно- временных характеристик определяется дисторсией времяанализирующего и усилительного ЭОП, а также дисторсией блока входной оптики и может составлять ~ 20%.
Техническим результатом предлагаемого устройства является снижение погрешности как временных, так и пространственных измерений при обеспечении простоты калибровки.
Технический результат в хронографическом электронно - оптическое устройстве для измерения параметров импульсных световых излучений с пространственно-временной калибровкой рабочего поля экрана, содержащем электронно-оптический регистратор (ЭОР), в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) которого вдоль оси расположены фотокатод, ускоряющий и фокусирующие электроды, анод, подключенные к высоковольтному источнику питания, горизонтальные отклоняющие пластины, подключенные к выходу блока развертки, вертикальные отклоняющие пластины, соединенные с блоком калибровочных меток, ускоряющий электрод, соединенный с блоком гашения, экран, усилитель-формирователь, вход которого является входом ПУСК ЭОР, выходы - соединены соответственно со входами блока развертки и гашения, блок
импульсного подсвета фотокатода, вход которого является входом ПУСК КАЛИБРОВКА, выходы соединены соответственно со входом блока калибровочных меток и входом ПУСК ЭОР усилителя-формирователя, блок входной оптики, установленный перед фотокатодом ЭОП, достигается тем, что в устройство введен установленный между блоком импульсного подсвета фотокатода и блоком входной оптики гомогенизатор - блок преобразования светового потока блока импульсного подсвета фотокатода в N источников света с заданным шагом Т, причем T×N<L, где L - длина фотокатода, причем в процессе калибровки подачу N импульсов света на фотокатод ЭЛЛ и калибровочных меток осуществляют одновременно с подачей напряжения развертки.
Сущность предложения заявителя заключается в том, что временная калибровка развертки осуществляется с помощью импульсной подсветки N точек фотокатода, имеющих заданный шаг по пространственной оси У рабочего поля фотокатода, а в прототипе временная калибровка развертки осуществляется с помощью импульсной подсветки одной точки фотокатода. Это позволяет создать для каждой длительности развертки калибровочную пространственную сетку, учитывающую геометрические искажения по рабочему полю экрана и нелинейность скорости развертки. Кроме того, произведенная таким образом калибровка пространственной и временной оси осуществляется одновременно и непосредственно перед измерением параметров светового излучения в том же измерительном тракте.
Блок-схема предлагаемого хронографического электронно-оптического устройства для измерения импульсных световых излучений и пространственно-временной калибровки рабочего поля экрана ЭОП представлена на фиг.1, на фиг.2 представлены временные диаграммы: 2а) - электрический пусковой импульс, 2б) - импульс оптического излучения блока импульсного подсвета, 2в, г) - электрические импульсы - СИНХРОИМПУЛЬСЫ, формируемые блоком импульсного подсвета, 2д) - электрический сигнал синусоидальной формы калибровочных меток, формируемый блоком калибровочных меток, 2е) -электрический сигнал калибровочных меток прямоугольной формы, формируемый блоком калибровочных меток, 2ж) - электрические импульсы напряжения развертки пилообразной формы, 2з) - электрический импульс гашения, формируемый блоком гашения; на фиг.3 -представлены: 3а) - N калибровочных синусоидальных кривых, формируемых на рабочем поле экрана ЭОП, 3б) - N калибровочных прямоугольных кривых, формируемых на рабочем поле экрана ЭОП, 3в) - N калибровочных линий, формируемых на рабочем поле экрана ЭОП, 3 г) - калибровочная пространственно - временная сетка с координатами Х и У, где X-координата по оси, совпадающей с направлением развертки, Y - координата по оси,
перпендикулярной направлению развертки, полученная после обработки компьютером 21 изображений, представленных на фиг.3а или на фиг.3б и 3в.
Принятые обозначения на фиг 1. Устройство содержит ЭОП 1, элементы ЭОПа: фотокатод 2, ускоряющий электрод 3, фокусирующий электрод 4; первый анод 5, горизонтальные отклоняющие пластины 6, вертикальные отклоняющие пластины 7, второй анод 8 (в формуле не участвует), люминесцентный экран 9, выполненный на ВОП; блоки ЭОР: усилитель яркости 10 (в формуле не участвует), ПЗС-камера 11 (в формуле не участвует), блок входной оптики 12, гомогенизатор 13, блок импульсного подсвета 14, высоковольтный источник питания 15, блок гашения 16, усилитель-формирователь 17, генератор развертки 18, блок калибровочных меток 19, генератор электрических импульсов 20 (в формуле не участвует), компьютер 21 (в формуле не участвует).
В устройстве используется разработанный и изготовленный в ФГУП НИИИТ электронно-оптический преобразователь ЭОП 1 типа СП09 или СП022, имеющий вертикальные 7 и горизонтальные (разверточные) пластины 6 конденсаторного типа и ПЗС-камера (датчик матричный СФЭР11.02.000, разработка ФГУП НИИИТ).
Кроме того, в регистраторе используются блоки, реализованные в [5] по известным техническим решениям.
Гомогенизатор 13 разделяет однократный световой поток, формируемый блоком импульсного подсвета, на N точечных источников света и распределяет их линейно в плоскости параллельной плоскости фотокатода. Расстояние между точечными источниками света Δ1 определяется требуемой точностью измерения пространственной координаты, но не менее Δ1≥2.d, где d - диаметр точечного источника света. Опыт показывает, что как для визуального наблюдения, так и для записи на ПЗС-камеру калибровочных меток с экрана ЭОП регистратора, размер светящегося на экране пятна должен быть 0,2-0,3 мм. Соответственно размер подсвеченной точки фотокатода ЭОП 1 должен быть диаметром 0,2-0,3 мм для случая, если электронно-оптическое увеличение ЭОП равно 1.
max
max
Следовательно, размер источника света должен быть 0,2-0,3 мм. Количество точечных источников света (N) ограничено размером фотокатода. Максимальное количество источников тока (N) можно определить NL/2d где L - длина фотокатода. При L=15 мм (для ЭОП СПО9) количество источников света может быть 25-37 шт.
Конструктивно гомогенизатор может быть выполнен в виде плоской миры, имеющей N линейно расположенных отверстий, диаметром d=0,2-0,3 мм и шагом Δ1>2.d. Этот вариант удобно использовать для линейного источника импульсного света типа фотоосветительной лампы. При использовании точечного импульсного источника света типа
min
лазерный диод гомогенизатор может быть выполнен с помощью пучка оптических волокон, на вход которого поступает свет от источника света. Входные концы оптических волокон плотно сгруппированы и представляют цилиндрическую форму. Выходные концы оптических волокон сгруппированы линейно и расположены в плоскости параллельной плоскости фотокатода с шагом Δ1. Минимальный шаг Δ1 ограничен диаметром оболочки оптического волокна (~0,5 мм).
Хронографическое электронно-оптическое устройство для измерения параметров импульсных световых излучений с пространственно-временной калибровкой рабочего поля экрана работает следующим образом.
Перед началом эксперимента по исследованию быстропротекающего процесса, сопровождающего оптическим излучением, оператором устанавливается длительность развертки в зависимости от длительности ожидаемого светового импульса, соответствующая частота калибровочных меток и осуществляется пространственно-временная калибровка.
п
Высоковольтный источник питания 15 подает на ЭОП 1 соответствующие высоковольтные напряжения. Однократным импульсом (фигура 2а) от генератора импульсов 20 запускается блок импульсного подсвета 14. Блок 14 формирует оптическое излучение длительностью Т (фигура 2Б)) и синхроимпульсы: СИНХРОИМПУЛЬС 1, СИНХРОИМПУЛЬС П (фигуры 2в), г)).
р
Синхроимпульс 1 запускает блок калибровочных меток 19, который формирует синусоидальные или прямоугольные электрические колебания установленной частоты, поступающие на вертикальные отклоняющие пластины 7 (фигура 2д), е). Синхроимпульс 2 запускает усилитель-формирователь 17, который в свою очередь запускает генератор развертки 18. Генератор развертки формирует пилообразное напряжение длительностью Т (фигура 2ж)) поступающее на горизонтально-отклоняющие пластины. Импульс света с блока импульсного подсвета 14 поступает на гомогенизатор 13, который формирует N источников света. Блок входной оптики 12 формирует на фотокатоде 2 ЭОП 1 N световых изображений диаметром 0,2-0,3 мм, под действием которых фотокатод 2 формирует N электронных потоков.
Электронные потоки ускоряются, фокусируются, отклоняются по горизонтальной оси напряжением развертки генератора развертки 18, отклоняются по вертикальной оси калибровочным напряжением блока калибровочных меток 19 и бомбардируют люминесцентный экран 9, на котором отображаются N калибровочных кривых, синусоидальных (фигура 3а)) или прямоугольных (фигура 3б)), находящихся в одной фазе. Изображение калибровочных меток усиливается усилителем яркости 10, считывается ПЗС-камерой 11 и в цифровом виде поступает в компьютер 21. По окончании развертки
усилитель формирователь 17 запускает блок гашения 16, формирующий импульс гашения (фигура 2з)), поступающий на ускоряющий электрод 3 ЭОПа 1. Импульс гашения прерывает поток электронов с фотокатода 2 ЭОПа 1 на время восстановления пилообразного напряжения генератора развертки 18. Так осуществляется калибровка временной оси по рабочему полю регистратора.
Далее повторно запускают блок импульсного подсвета 14 однократным импульсом ПУСК от генератора импульсов 20, выключив или отсоединив выходные цепи блока меток 19. На экране 9 появляются N калибровочных линий (фигура 3д)) изображение которых усиливается усилителем яркости 10, считывается ПЗС-камерой 11 и цифровом виде поступает в компьютер 21. Таким образом, происходит динамическая калибровка пространственной оси рабочего поля регистратора на установленной развертке.
Вышеописанную процедуру можно выполнить на любой установленной длительности развертки, изменить частоту калибровочных меток.
При регистрации исследуемого процесса блок импульсного подсвета и гомогенизатор выключают и заменяют на микрометрическую щель, блок калибровочных меток выключают, на вход ПУСК ЭОР подают синхроимпульс с пускового детектора (на чертеже не показан) исследуемого светового излучения с учетом времени срабатывания ЭОР, длительности исследуемого процесса и установленной длительности развертки. Обработку полученных результатов считывания ПЗС-камерой проводят на персональном компьютере 21, по специальной программе, которая выполняет операции по нахождению координат точек пересечения калибровочных меток с соответствующими калибровочными линиями и построение калибровочной пространственно-временной сетки рабочего поля экрана ЭОР (фигура 3г)).
В результате проведения пространственно-временной калибровки для каждой установленной развертки получается множество точек рабочего поля экрана с известными координатами Х и Y, где Х - координата по оси, совпадающей с направлением развертки (координата по временной оси), Y - координата по оси, перпендикулярной направлению развертки (координата по пространственной оси).
Программа обработки считанного изображения должна обеспечить хранение, передачу, предварительную обработку, восстановление эопограммы по пространственной и временной осям с учетом геометрических искажений и нелинейности развертки регистратора, и визуализацию зарегистрированной информации.
В результате обработки достигается минимальная погрешность пространственно-временных измерений, составляющая γ~1%, исключающая влияние дестабилизирующих факторов, таких как изменение условий эксплуатации, старение радиоэлементов и т.п.
Таким образом, предлагаемое устройство, обладая достоинствами прототипа, имеет по сравнению с ним преимущество, заключающееся в снижении погрешности измерений ~ в 20 раз благодаря одновременной калибровке рабочего поля экрана по осям Х и У.
Литература
1 Патент США №6642499. System for photometric calibration of optoelectronic imaging devices especially streak cameras.
2 Авторское свидетельство №630738. Устройство калибровки временной развертки электронно-оптических фоторегистраторов. (Разработка ФГУП НИИИТ).
3 Патент РФ №2272333. Хронографический ЭО регистратор с калибровкой временной развертки (Разработка ФГУП НИИИТ).
4 Патент РФ №2250531. Способ калибровки временной развертки хронографических ЭО регистраторов (Разработка ФГУП НИИИТ).
5 Патент РФ на полезную модель №58263. Хронографический электронно-оптический регистратор с калибровкой временной развертки - прототип. (Разработка ФГУП НИИИТ)