Вплив розсіяного в оптичній системі випромінювання на якість зображення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Колобродов Сергій Валентинович

На правах рукопису

УДК 621.384

Вплив розсіяного в оптичній системі випромінювання

на якість зображення

Спеціальність 05.11.07 - оптичні прилади та системи

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України “КПІ”

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Тимчик Григорій Семенович, завідувач кафедри виробництва приладів НТУУ “КПІ”

Офіційні опоненти: - доктор фізико-математичних наук, професор Шайкевич Ігор Андрійович, професор кафедри оптики Київського Національного університету ім. Т. Шевченка

- кандидат технічних наук, доцент Сенаторов Володимир Миколайович, головний спеціаліст “Об'єкта “Укриття”, ЧАЕС

Провідна установа: СКО-8 ЦКБ “Арсенал”, Міністерство промислової політики України, м. Київ

Захист відбудеться “29” лютого 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 1, ауд. 317

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”

Автореферат розісланий “11” січня 2000 р.

Відгуки на автореферат просимо надсилати вченому секретарю спеціалізованої ради Д26.002.07 за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 1

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д26.002.07,

докт. техн. наук, професор О.В. Збруцький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

Важливе місце в оптичному та оптичноелектронному приладобудуванні займають оптичні системи (ОС), які створюють зображення в площині приймача випромінювання (ПВ). При розробці таких ОС одна з головних вимог стосується якості зображення. Якість системи характеризує її здатність формувати зображення, яке відповідає розв'язанню поставленої задачі. Ця здатність оцінюється за допомогою деяких об'єктивних критеріїв шляхом порівняння сформованого зображення з ідеальним.

На сучасному етапі оптичні та оптичноелектронні системи (ОЕС) розглядають як лінійні інваріантні системи. За такої умови ОС являє собою фільтр низьких просторових частот, який характеризується оптичною передаточною функцією (ОПФ). Модуль цієї функції називають модуляційною передаточну функцію (МПФ). МПФ визначається відношенням контрастів зображення і об'єкта при синусоїдальному розподілі освітленості у площині зображення і яскравості у площині об'єкта.

Дослідженню МПФ в залежності від оптичних характеристик системи присвячена велика кількість робіт. В той же час добре відомо, що контраст зображення, а отже і якість зображення, в значній мірі залежить від фонового (заважаючого) випромінювання, яке надходить до площини зображення. Складовими фонового випромінювання є: випромінювання, яке розсіяне оптичними і конструктивними елементами; власне випромінювання елементів ОС для тепловізійних систем; розсіяне випромінювання від зовнішніх джерел.

Дослідженню впливу фонового випромінювання на якість зображення присвячена незначна кількість робіт. Це пов'язано, перш за все, з великими теоретичними і експериментальними проблемами визначення складових фонового випромінювання. У зв'язку з цим дослідження впливу складових фонового випромінювання на якість зображення є актуальною проблемою сучасного оптичного і оптичноелектронного приладобудування.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - розробка методів і апаратури для дослідження впливу розсіяного в оптичній системі випромінювання на якість зображення.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішуються такі основні задачі:

Розробка математичної моделі для дослідження впливу фонового випромінювання на МПФ ОС.

Визначення параметрів розсіяного випромінювання, які впливають на МПФ.

Розробка алгоритмів, методів і апаратури для вимірювання функцій розсіювання TIS, PST, BSDF, BRDF, BTDF, BVDF.

Експериментальні вимірювання функцій розсіювання випромінювання в елементах ОС.

Наукова новизна.

Обгрунтовано критерій якості зображення, сформованого ОС, при наявності фонового випромінювання (як критерій якості вибрана МПФ, що визначається контрастом у зображенні синусоїдальної штрихової міри). Фонове випромінювання розглядається як сукупність розсіяного оптичними і конструктивними елементами випромінювання, власного випромінювання оптичних елементів і розсіювання випромінювання від зовнішніх джерел.

Розроблено математичну модель формування фонового випромінювання в ОС. Для моделювання фонового випромінювання використано функції BSDF і PSF, а також враховано двократне відбиття від поверхонь оптичних елементів.

Отримано аналітичну формулу, яка описує МПФ при наявності фонового випромінювання. Ця функція дозволяє аналізувати і синтезувати ОС, виходячи із умови отримання необхідної якості зображення при наявності у площині зображення фонового випромінювання.

Розроблено методи і стендову апаратуру для вимірювання функцій розсіювання BSDF і TIS. Експериментально отримано функції BSDF плоских оптичних елементів, фокусуючих оптичних елементів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Отримано аналітичну формулу, яка дозволяє розраховувати МПФ ОС при наявності фонового випромінювання. Ця формула дозволяє визначити практичні рекомендації по зменшенню впливу фонового випромінювання на якість зображення (необхідна шорсткість оптичної поверхні, наявність спеціальних бленд, особливості виготовлення оправ оптичних елементів та корпусних деталей і т.п.).

2. Розроблено методи і створено стенд для вимірювання функцій розсіювання BSDF і TIS плоскопаралельних пластин, лінз, дзеркал і об'єктивів. Експериментально отримано функції BSDF для типових оптичних елементів.

3. Запропоновано алгоритм і програму розрахунку функцій BSDF, TIS і МПФ за результатами експериментальних вимірювань розсіювання випромінювання в ОС.

4. Розроблено метод контролю параметрів шорсткості оптичних поверхонь, який базується на вимірюванні функції BSDF. Цей метод контролю може бути застосований в оптичній промисловості при виготовленні оптичних елементів.

5. Розроблені методи дослідження розсіяного випромінювання в ОС використані при виконанні науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт по державним програмам Національного космічного агентства України, Міністерства освіти України, Міністерства промислової політики України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботу виконано на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України “КПІ” у відповідності з планами науково-дослідних робіт, а також по Міжвузівській національній програмі “Національна термографія - розробка апаратурної бази та методик її застосування” (наказ Міносвіти №37 від 13.02.97 р.) та першій Національній космічній програмі України (п. 3.1.3. Дистанційне зондування Землі, НДР “Сканер”).

Особистий внесок здобувача.

Основні положення, що захищаються:

1. Теоретичні положення та математична модель формування фонового випромінювання в ОС.

2. Методика розрахунку МПФ ОС з врахуванням фонового випромінювання, яке описується функцією розсіювання BSDF.

3. Метод і стендова апаратура для вимірювання функцій розсіювання BSDF і TIS.

Апробація результатів дисертації.

Головні результати доповідались і обговорювались за період з 1994р. по 1999р. на 1-му міжнародному конгресі, на 2-х республіканських конференціях і семінарах, в тому числі на IV-му Міжнародному конгресі по космічній техніці та технології, м. Київ, 1996; наукових семінарах кафедри оптичних приладів технічного університету м. Ільменау, Німеччина, 1995-1996 рр.; науково-технічному семінарі ЦКБ “Арсенал”, 1999 р.; наукових семінарах кафедри виробництва приладів і кафедри оптичних та оптичноелектронних приладів, науково-дослідної лабораторії теплобачення приладобудівного факультету НТУУ “КПІ” в 1994-1999 р.р.

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 7 праць, в тому числі 3 статті у фахових виданнях і 4 тези.

Структура та обсяг дисертації.

Робота складається із вступу, 4-х розділів основного змісту, загальних висновків, списку літератури та додатків. Обсяг роботи 120 сторінок основного тексту, 43 малюнків, 12 таблиць, список літератури із 73 найменувань. Загальний обсяг роботи 141 сторінка.

основний зміст роботи

В дисертації розкривається сутність наукової проблеми та обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, подано загальну характеристику роботи, наведено основні роботи по дослідженню впливу фонового випромінювання на якість зображення.

Обгрунтовано вибір МПФ для оцінки якості зображення, сформованного ОС при наявності фонового випромінювання. Основою сучасного аналізу якості зображення є представлення процесу формування як поетапного двократного перетворення Фур'є. Об'єкт, і його зображення представляються як двомірний розподіл яскравості і освітленості, відповідно. Якщо ОС формує зображення деякого об'єкта, останній перетворюється при цьому із лінійної структури яскравості у спектр просторових частот, що пропускаються смуговим частотним фільтром. Цей спектр потім знову перетворюється у лінійну структуру і стає розподілом освітленості у зображенні. При такому підході ОС являє собою фільтр, який пропускає низькі просторові частоти. При цьому вплив ОС на якість зображення може бути описаний кривою пропускання просторових частот. Таку характеристику називають оптичною передаточною функцією (ОПФ). Модуль ОПФ називається модуляційною передаточною функцією (МПФ). МПФ можна визначити як відношення контрастів у площині зображення та площині об'єкта.

Дослідженню МПФ в залежності від оптичних характеристик та аберацій ОС присвячена велика кількість робот. Але майже зовсім не розглянуто питання впливу фонового (розсіяного ОС) випромінювання на МПФ. В той же час добре відомо, що наявність фонового випромінювання у площині зображення зменшує його контраст, а тому і погіршує якість зображення.

В роботі показано, що фонове випромінювання виникає за рахунок:

розсіювання світла на оптичних поверхнях лінз і дзеркал;

відбиття світла від оптичних поверхонь лінз;

розсіювання світла в оптичному матеріалі;

розсіювання світла на оправах і внутрішніх поверхнях, механічних поверхнях оптичної системи (приладу), що граничать зі світловим потоком.

Розглянуто основні складові розсіяного в ОС випромінювання, які отримано в результаті аналізу досліджень вітчизняних і зарубіжних авторів. Добре відомо, що кожна оптична поверхня не тільки заломлює та відбиває світлові промені, але і дифузно розсіює деяку частину світлового потоку, який взаємодіє з нею. Основною причиною розсіювання світла поверхнею є її шорсткість. Розглянуто параметри шорсткості поверхні і теорія взаємодії електромагнітних хвиль з шорсткою оптичною поверхнею.

Для дослідження якості зображення, сформованного ОС при наявності фонового випромінювання, автором запропоновано використовувати відомі двовимірні функції розподілу розсіяного випромінювання.

Функція загального інтегрованого розсіювання TIS (Total Integrated Scatter), що визначається як відношення розсіяного в напівкулю потоку випромінювання Ф_s до дзеркально відбитого потоку випромінювання Ф₀. Функції TIS залежить від середньоквадратичної шорсткості поверхні s і довжини хвилі випромінювання l:

Двовимірна функція розподілу розсіювання BSDF (Bidirectional Scatter Distribution Function) використовується для описання розповсюджування розсіяного світла у просторі. Функції BRDF, BTDF та BVDF є підмножинами функції BSDF, які використовуються для описання розсіювання випромінювання при відбитті (Reflection), пропусканні (Transmission) та в об`ємі скла (Volume) відповідно.

BRDF можна визначити в фотометричних величинах, як розсіяну поверхневу яскравість L_s поділену на освітленість E_i, яка формується падаючим пучком. Схема визначення функції BRDF показана на рис.1, де індекси “i” і “s” використовуються для позначення падаючого та розсіяного випромінювання відповідно. Згідно рис. 1, вираз для BRDF має вигляд:

де A_s - площа світлової плями на поверхні розсіювання; W_M - тілесний кут, який визначається апертурою ПВ вимірювального стенду; Q_i - кут падіння; Q_s - кут приймача випромінювання між нормаллю до поверхні і оптичною віссю ПВ; F_i - потік випромінювання, який падає на поверхню, що досліджується; F_s - розсіяний потік випромінювання, який надходить до ПВ.

Функції TIS і BRDF пов'язані між собою співвідношенням

Аналіз науково-технічної інформації свідчить про те, що розробка теоретичних основ впливу розсіяного світла на МПФ ОС є актуальною проблемою. Запропонована математична модель формування фонового випромінювання в ОС. Загальна освітленость Е'_S у площині ПВ складається з корисного сигналу Е' та різноманітних складових фонового випромінювання:

Е'_S=E'+E'_Q+E'_S+E'_Z, (4)

де E'_Q - освітленість, яка створена фоновими джерелами випромінювання, що розташовані під різними кутами Q_і до осі візування; E'_S - освітленість, яка створена за рахунок розсіювання випромінювання оптичними поверхнями;E'_Z - освітленість, яка створена за рахунок відбиття заломлюючими оптичними поверхнями. Для тепловізійних систем в вираз (4) ще додається складова Е'_th, яка обумовлена власним випромінюванням окремих елементів ОС.

Наявність фонових складових у площині ПВ призводить до погіршення контрасту:

Якщо помножити МПФ на цей коефіцієнт К, то отримаємо МПФ ОС при наявності фонового випромінювання. Це дозволяє дослідити вплив фонового випромінювання на просторове розділення ОС.

Отримано загальну формулу для розрахунку МПФ ОС при наявності фонового випромінювання. При цьому вважалося, що випромінювання у площині зображення має дві складові: “корисний сигнал”, який створює зображення, та “розсіяний сигнал”, який накладається на це зображення. Наявність розсіяного сигналу обумовлює: по-перше, зменшення корисного сигналу, так як він являє собою частину світлового потоку від об'єкта; по-друге, накладаючись на всі деталі оптичного зображення, він зменшує його контраст. У більшості практичних випадків вважають, що розсіяне світло рівномірно розподіляється у межах лінійного поля зору у площині зображення.

Рис. 1. До визначення функції BRDF

Для цього випадку отримано одномірну МПФ ОС з врахуванням фонового випромінювання у вигляді:

де Еў_s - освітленість, створена розсіяним (фоновим) випромінюванням у площині зображення; Е₀ - освітленість у площині об'єкта ОС; t_о - коефіцієнт пропускання ОС.

Якщо ОС має лінійне поле зору у площині зображення a = k_f f'₀, то доля розсіяного світла характеризується коефіцієнтом k_S = Eў_S /t_oE₀. Тоді функція (6) запишеться у вигляді

Аналіз отриманого співвідношення (7) показав, що МПФ ОС з врахуванням фонового випромінювання М_S(n_r) залежить як від самої МПФ М₀(n_r) для “корисного сигналу”, так і від долі розсіяного світла k_S та розмірів поля зору а . На рис. 2 представлені графіки функції М_S(n_r) при різних значеннях параметрів ОС k_S , k_f , D₀ , f'₀ . Із рис.2 видно, що наявність фонового випромінювання у площині зображення завжди зменшує МПФ ОС на усіх просторових частотах. Особливу зацікавленість представляє низькочастотна ділянка просторового спектру, де вплив розсіяного світла особливо значний.

Співвідношення (7) свідчить про те, що на середніх і високих просторових частотах наявність фонового випромінювання призводить до пропорційного зниження контрасту на усіх частотах. Причому зменшення МПФ пропорційне долі розсіяного світла від загального світлового потоку, який надходить до площини зображення.

Рис. 2. МПФ дифракційно обмеже-ної ОС при наявності фонового випромінювання у площині зображення при f'₀ = 120 мм,

D₀ = 60 мм, l = 0,55 мм, k_s = 0,1: 1 - k_f = 0; 2 - k_f = 0,01;3 - k_f = 0,05; 4 - k_f = 0,1; 5 - k_f = 0,5

Із аналізу функцій (7) випливає, що із збільшенням просторової частоти зменшується вплив другого додатку у квадратних дужках. Для просторових частот n_r > 1 / a = 1 / (k_f f'₀) цим додатком можна знехтувати. При цьому формула (7) матиме вигляд:

Розглянуто модель ОС, в якій розсіяне випромінювання, що розподілене в площині зображення, апроксимується функцією Гауса. Для такої моделі отримано МПФ ОС при наявності фонового випромінювання:

Аналіз функції (9) свідчить про те, що:

1. Із збільшенням радіуса плями r_s розсіяного випромінювання зменшується значення сумарної МПФ, тобто погіршується роздільна здатність ОС. Наприклад, для контрасту М(_res) = 0,5 роздільна здатність ОС при відсутності фонового випромінювання становить близько 19 мм^-1, а при наявності фонового випромінювання при r_s = 20 мкм зменшується до 10 мм^-1.

2. Зменшення роздільної здатності ОС при наявності фонового випромінювання відбувається як за рахунок збільшення фонового потоку, так і за рахунок зменшення потоку, що формує зображення. При цьому загальний потік зберігається постійним, тобто Ф₀ + Ф_S = const, а Ф₀ / Ф_S = (r₀ / r_s)². У цьому полягає відмінність розглянутої моделі, від попередньої.

3. Можливе подальше вдосконалення математичної моделі розрахунку МПФ ОС щляхом введення коефіцієнта розсіювання k_s = Ф_S / Ф₀ , який визначає долю розсіяного випромінювання. При цьому ФРТ розсіяного випромінювання і випромінювання, яке формує зображення, можна апроксимувати гаусовими функціями.

Для дослідження фонової освітленості Е'_i було використано функцію PST (Point Source Transmittance - функція пропускання точкового джерела), що може реально вимірюватися та визначається як:

де Е'_0i - освітленість створена фоновим джерелом випромінювання, яке розташоване на оптичній осі.

Загальна PST для кожного кута падіння _і є сумою окремих складових, класифікація яких залежить від механізму виникнення фонової засвітки у площині зображення:

PST= PST_S + PST_R+ PST_Z, (11)

де PST_S - складова, яка зумовлена розсіюванням на оптичних поверхнях;PST_R - складова, яка зумовлена розсіюванням при відбитті від корпусних деталей; PST_Z - складова, яка зумовлена багаторазовим відбиттям від оптичних поверхонь.

Розроблено алгоритми розрахунку загальної функції розсіювання PST та її складових:

де _і - кут падіння; u_a - задній апертурний кут ОС; u_i - апертурний кут розсіяного і-тою поверхнею.

де n' - показник заломлення у просторі зображення, n - показник заломлення середовища, де знаходиться розсіююча поверхня. Різниця квадратів синусів у виразі (13) визначає тілесний кут, під яким поверхню корпусу, що розсіює, видно з поля зору у площині зображення. Інтеграл у (13) являє собою середню ефективну яскравість кільцевої поверхні, якою в даному випадку є розсіюча частина корпусної деталі ОС; _і - коефіцієнт пропускання ОС від корпусної розсіючої поверхні до площини зображення.

де _k-l - коефіцієнт пропускання між поверхнями k і l; `_k-l - збільшення ОС, яка утворена поверхнями k і l .

Ці алгоритми дозволяють розрахувати фонову освітленість у площині зображення ОС та обгрунтувати технічні умови на виготовлення і допустимі значення показників якості оптичних деталей.

Отримано також аналітичні залежності, які дозволяють розрахувати освітленість, яка обумовлена:

- власним випромінюванням елементів ІЧ ОС

де М(,Т_j) - спектральна енергетична світність j-го елементу ОС, яка визначається формулою Планка; _j - коефіцієнт випромінювання поверхні j-го елементу; _j - коефіцієнт пропускання ОС між j-им елементом і площиною зображення. Аналогічно виразу (13) для PST_R різниця квадратів синусів описує тілесний кут, під яким j-ий елемент ОС спостерігається з осьової точки площини зображення.

- двократним відбиттям від оптичних заломлюючих поверхонь ОС

де _а - коефіцієнт пропускання атмосфери; L - яскравість обєкта; A₂ - площа зображення при двохкратному відбитті; k_eff - ефективне діафрагмове число; ZR_k-l - доля потоку випромінювання, який надходить до площини зображення за рахунок двократного відбиття між поверхнями k і l.

Як приклад застосування запропонованої методики розраховано МПФ трьохлінзового ІЧ об'єктиву “Тюльпан” з врахуванням розсіювання випромінювання поверхнями оптичних елементів. Цей об'єктив був розроблений для тепловізорів, де приймачем випромюнювання є піровідикон. При розрахунку вважалося, що: розсіювання випромінювання відбувається на шести поверхнях лінз та двох поверхнях вхідного вікна піровідикона; усі поверхні оптичних елементів мають однакову шорсткість, яка згідно конструкторський документації на обєктив має _і = 0,06 мкм. Розрахунок МПФ при наявності фонового випромінювання будемо здійснювати за формулою (6), де коефіцієнт пропускання обєктива _о = 0,73 (згідно паспортних даних). Поле зору обєктива визначалося розмірами вхідного вікна піровідикона ЛИ492, яке має діаметр а = 20 мм. МПФ обєктива М₀(_х) при відсутності розсіяного випромінювання була розрахована за допомогою пакета прикладних програм “Призма”. З представлених розрахунків випливає, що присутність у полі зору обєктива розсіяного випромінювання призводить до погіршення роздільної здатності обєктива на (2/30)100 = 6% (при контрасті 0,5). випромінювання математичний дослідження

Розроблено методику і установку для вимірювання функції BSDF. При створенні установки був використаний стенд, який був розроблений на кафедрі оптичних приладів Технічного університету Ільменау (Німеччина). Схема установки для вимірювання функції BSDF, представлена на рис. 3. Основними вузлами установки є джерело випромінювання, система модуляції базового і референтного пучків випромінювання, світлофільтр, оптична система фокусування випромінювання, блок обробки електричного сигналу. В залежності від спектрального діапазону оптичного елемента, в установці було використано два лазера: He-Ne-лазер HNA188 ( = 0,633 мкм, = 50 мВт) і СО₂-лазер ( = 10,6 мкм, = 5 Вт).

Для вилучення впливу нестабільності випромінювання лазера запропоновано вимірювати нормований сигнал

(17)

де - кут відхилення осі вимірювальної головки від оптичної осі стенда; U_M() - напруга на виході ПВ, яка відповідає куту ; U_R - напруга на виході ПВ референтного каналу; _F - коефіцієнт пропускання світлофільтра для даного вимірювання.

Рис. 3. Схема установки для вимірювання функції BSDF

З урахуванням (17), для визначення функції BSDF використовується формула:

де U₀^max - максимальне значення сигналу, яке виміряне при відсутності зразка; R - відстань між апертурною діафрагмою вимірювальної головки і досліджуваним зразком; r_M - радіус апертурної діафрагми.

Розрахунок функції BSDF здійснює програма “SliMeSta”.

На рис.4 представлені результати вимірювання власної функції розсіювання установки і BSDF() плоскопаралельної скляної пластини товщиною 4 мм. Графік функції BSDF() дозволяє оцінити величину розсіювання досліджуваного оптичного елемента відносно власної функції розсіювання установки.

Рис.4. Результати вимірюван-ня власної функції розсіюван-ня установки і BSDF() плоскопаралельної скляної пластини товщиною 4 мм

Автором запропоновано новий метод розрахунку мінімального значення функції BSDF, в основі якого лежить вимірювання реального шумового сигналу установки, що дозволило визначити шляхи вдосконалення і ввести у програму “SLiMeSta” мінімальну границю вимірювань функції BSDF у залежності від діаметра апертурної діафрагми і відстані від зразка до вимірювальної головки..

Аналіз літературних джерел свідчить про велику розбіжність у вимірюванні функції BSDF. Отримано формули для розрахунку похибок вимірювання, які дозволяють оптимізувати параметри установки і апаратні операції для зменшення загальної похибки вимірювання, яка складається з похибки вимірювання розсіяного потоку, похибки вимірювання падаючого потоку, похибок кута розсіювання та приймальної апертури:

Аналіз цифрових значень похибки для експериментальної установки показує, що загальна похибка вимірювання не перевищує 5%.

Розроблено методику і доопрацьовано установку для вимірювання функції розсіювання BSDF фокусуючих оптичних елементів. Вимірювання функції BSDF лінз та сферичних дзеркал пов'язане з деякими проблемами:

1. Необхідність зміни конфігурації ОС вимірювальної установки порівняно з вимірюванням власної функції розсіювання.

2. При виконанні п.1 необхідно дотримувати постійними значення діаметру перетяжки лазерного випромінювання в апертурі вимірювальної головки.

У відомих установках для забезпечення постійності перетяжки в апертурі вимірювальної головки фокусна відстань другого фокусуючого дзеркала вибирається в залежності від фокусної відстані досліджуваного елемента (рис.3). Недоліком такого метода є необхідність використовувати різні фокусуючі дзеркала для кожного досліджуваного оптичного елемента, що призводить до значних витрат і ускладнює вимірювання.

Для підвищення точності вимірювання функції BSDF фокусуючих елементів, а також спрощення вимірювання, автором запропонована нова експериментальна установка. У запропонованій схемі залишаються незмінними фокусні відстані окремих компонентів системи, зокрема першого і другого фокусуючих дзеркал, а змінюються лише відстані між ними в залежності від фокусної відстані досліджуваного оптичного елемента. Установка дозволяє вимірювати функцію розсіювання оптичних елементів з фокусною відстанню від -1000 мм до 1000 мм.

Отримано співвідношення, які дозволяють змінювати конфігурацію ОС установки в залежності від фокусної відстані елемента, що досліджується. Проведено дослідження ОС установки з використаням гаусової оптики та теорії перетворення лазерних пучків оптичними елементами. Розраховано функції залежності діаметра лазерної плями на поверхні елемента, що досліджується і діаметра польової діафрагми вимірювальної головки від фокусної відстані зразка.

На основі цих досліджень автором була доопрацьована вимірювальна установка з метою вимірювання функції розсіювання BSDF додатних і відємних лінз. Були проведені вимірювання додатної лінзи з фокусною відстаннюf_s = 50 мм і товщиною d_e = 5 мм та відємної лінзи з відстанню f_s = 50 мм і товщиною d_e = 5 мм. Спочатку вимірювалась функція розсіювання самої установки, а потім досліджуваних оптичних елементів. Порівняння функцій розсіювання BSDF різних оптичних елементів можна спостерігати на рис.5. На ньому зображена власна функція розсіювання установки та функція BSDF плоскопаралельної пластинки, додатньої та відємної лінз. Ліва межа графіка по осі абсцис відповідає точці, з якої починається помітна відмінність між графіками.

Рис. 5. До порівняння функ-цій розсіювання оптичних елементів: 1 - власна функ-ція розсіювання стенду; 2 - BSDF плоскопаралельної пластинки; 3 - BSDF додат-ньої лінзи; 4 - BSDF від'єм-ної лінзи

Представлені експериментальні результати вимірювання функції розсіювання додатньої та відємної лінз і плоскопаралельної пластинки підтверджують основні теоретичні дослідження, які були наведені у розділах 2 і 3 дисертації. Наприклад, підтверджується теоретичне припущення для рівняння (6), що освітленість розсіяного випромінювання мало змінюється у межах поля зору.

ОСНОВНІ висновки

1. Вирішено наукову проблему оцінки впливу розсіяного ОС випромінювання на якість зображення.

2. Запропоновано використовувати МПФ як критерій якості зображення, сформованого ОС при наявності фонового випромінювання. Наявність фонового випромінювання призводить до зменшення контрасту на виході ОС, що погіршує якість зображення. Для дослідження розсіяного випромінювання використані відомі функції TIS та BSDF, що дозволило розрахувати величину фонової освітленості в залежності від параметрів шорсткості оптичних поверхонь.

3. Розроблено математична модель формування фонового випромінювання в ОС, складовими якого є: освітленість, яка створена розсіюванням випромінювання оптичними поверхнями; освітленість, яка створена двократним відбиттям випромінювання заломлюючими оптичними поверхнями; освітленість, яка створена зовнішніми джерелами випромінювання, що не знаходяться в полі зору ОС. Отримано загальну формулу для розрахунку МПФ ОС з врахуванням фонового випромінювання. Аналіз цієї формули виявив, що МПФ ОС при наявності фонового випромінювання залежить від МПФ ОС без врахування фонового випромінювання, так і від долі розсіяного світла та розмірів поля зору ОС. Запропоновано методику, яка дозволяє на стадії проектування розрахувати МПФ ОС з врахуванням фонового випромінювання, що розсіяне поверхнями оптичних елементів.

4. Розроблено методику і установку для вимірювання функції розсіювання BSDF оптичних елементів і систем різного призначення. Запропоновано новий метод розрахунку мінімального значення функції BSDF, в основі якого лежить вимірювання реального шумового сигналу установки. Отримані формули для розрахунку похибок вимірювання дозволяють оптимізувати параметри установки.

5. Отримано експериментальні значення вимірювання функції розсіювання додатньої та відємної лінз і плоскопаралельної пластинки, які підтверджують основні теоретичні положення дисертації.

6. Практичне використання розроблених методів і установки дозволило врахувати вплив фонового випромінювання на якість зображення при створенні ОС різного призначення. Похибка визначення МПФ при наявності фонового випромінювання не перевищує 5%.

Публікації з основних положень дисертації

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Методи врахування впливу фонового випромінювання при проектуванні оптично-електронних систем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 1997. - №1. - с.42-49.

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Апаратура вимірювання двомірної функції розподілу розсіювання // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 1997. - №2. - с.34-40.

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Алгоритм моделювання функції пропускання оптичної системи, щодо одиничного фонового джерела // Наукові вісті НТУУ“КПІ”. - 1998. - №1. с.79-84.

Mikitenko V.I., Kolobrodov S.V. Satellite thermovision system for ecological monitoring // Procceeding of 4^th Ukraine-Russia-China Symposium on Space Science and Technology. - Ukraine, Kiev. - Sept.1996. - Vol. II. - p.741-743. ISBN 966-514-005-1.

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Моделювання та вимірювання індикатрис розсіювання випромінювання оптичними компонентами та системами // Зб. наукових праць конференції “Приладобудування-96". - Вінниця-Судак, Вінницький ДТУ. - 1996. - с.8. - т.2.

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Фотометрична система для офтальмологічних досліджень // Зб. наукових праць конференції “Наука і підприємництво”. - Вінниця-Львів. - Вінницький ДТУ. - 1997. с.29

Тимчик Г.С., Колобродов С.В. Методи врахування впливу фонового випромінювання при проектуванні оптично-електронних систем // Зб. матеріалів конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - м.Хмельницький. - ТУП. - 1997. - с.13.

Колобродов С.В. Вплив розсіяного в оптичній системі випромінювання на якість зображення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.07 - оптичні прилади та системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”. - Київ. - 2000.

В дисертації вирішено наукову проблему розробки методів і апаратури для дослідження впливу розсіяного в оптичній системі випромінювання на якість зображення. Розроблено математичну модель для розрахунку модуляційної передаточної функції оптичної системи при наявності фонового випромінювання, яке описується двомірною функцією розподілу випромінювання BSDF. Розроблено метод і стендову апаратуру для вимірювання функції BSDF. Основні результати праці знайшли впровадження при проектуванні оптичних систем.

Ключові слова: оптична система, розсіювання випромінювання, модуляційна передаточна функція, оптичні елементи.

Kolobrodov S.V. Influence of the radiation, scattered in optical system, image quality. Manuscript.

The dissertation for the competition of a scientific degree of the candidate of engineering science at a speciality 05.11.07 - optical devices and systems. - National technical university of Ukraine “Kyiv politechnical institute”. - Kyiv. - 2000.

The scientific problem of elaboration of the methods and technique for investigation of the scattered radiation influence to image quality in optical system is resolved in the dissertation. The mathematical model for calculating of optical system modulation transfer function with account of stray light is developed. The scattered light is described the biderectional scatter distribution function BSDF. The methods and technique for BSDF measurements is developed. The results of the work have found an utility in the design of the new optical system.

Keywords: optical system, light scattering, modulation transfer function, optical elements.

Колобродов С.В. Влияние рассеянного в оптической системе излучения на качество изображения. - Рукопись.

Дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - оптические приборы и системы. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. - Киев. - 2000.

В диссертации решена научная проблема разработки методов и аппаратуры для исследования влияния рассеянного в оптической системе излучения на качество изображения.

Обоснован выбор модуляционной передаточной функции (МПФ) для оценки качества изображения, сформированного оптической системой при учете фонового излучения. Рассмотрены составляющие фонового излучения, среди которых рассеяние излучения на оптических поверхностях линз и зеркал, многократное отражение от оптических поверхностей линз, рассеивание излучения в оптическом материале, рассевание излучения на матовых поверхностях и оправах оптических елементов. Для исследования рассеяния излучения использованы функции TIS (total integrated scatter - полное интегрированное рассеяние) и BSDF (biderectional scatter distribution function - двумерная функция распределения рассеяния).

Исследовано влияние рассеянного излучения на МПФ оптической системы. Предложена математическая модель формирования фонового излучения, которое учитывает рассеяние оптическими поверхностями, отражение от преломляющих оптических поверхностей, рассеяние излучения от внешних источников, которые находятся за пределами поля зрения. Наличие этих составляющих фонового излучения вызывает понижение контраста изображения. Получены формулы для расчета МПФ оптической системы с учетом влияния фонового излучения, которое распределено равномерно и неравномерно в пределах поля зрения. Эти формулы позволяют определить практические рекомендации для уменьшения влияния фонового излучения на качество изображения (необходимая шероховатость оптических поверхностей, ниличие специальных бленд, особенности изготовления оправ оптических элементов и корпусных деталей и т.п.). Рассмотрено моделирование и алгоритмы расчета функций рассеяния PST (point source transmission - функция пропускания точечного источника), TIS, BSDF, а также рассеяния при отражении от корпусных деталей, рассеяние за счет двухкратного отражения от поверхностей оптических элементов, собственного излучения оптических элементов. Эти алгоритмы позволяют расчитать уровень фоновой освещенности в плоскости изображения и обосновать технические условия на изготовление и допустимые значения показателей качества оптических деталей. Предложен метод контроля параметров шероховатости оптических поверхностей, который основывается на измерении функции BSDF. Этот метод может быть использован в оптической промышленности при изготовлении оптических элементов.

Представлены аналитические соотношения, которые позволяют рассчитать функцию BSDF, а также ее максимальное и минимальное значения, исходя из измерения электрического сигнала на выходе приемника излучения. Рассмотрена новая методика расчета минимального значения функции BSDF, в основе которго лежит измерение реального шумового сигнала. Проанализированы ошибки измерения функции BSDF, а также рассчитана ошибка экспериметнальной установки, что позволило определить пути усовершенствования аппаратной части измерений.

Разработана установка для измерения функции BSDF фокусирующих элементов. Исследована оптическая система установки с использованием гауссовой оптики и теории преобразования лазерных пучков оптическими элементами. Получены соотношения, которые позволяют рассчитывать изменение конструктивных параметров оптической системы установки, а именно расстояния между главними фокусирующими элементами системы, в зависимости от фокусного расстояния исследуемого элемента. Представлены результаты измерений собственной функции рассеяния установки, функции рассеяния положительной и отрицательной линз, и плоскопараллельной пластинки. Проанализированы проблемы измерения функции рассеяния BSDF и пути усовершенствования экспериментальной установки и способов интерпретации результатов измерений.

Ключевые слова: оптическая система, рассеивание излучения, модуляционная передаточная функция, оптические элементы.

Размещено на Allbest.ru

...