WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Основы Российской академии наук Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение ...»

Физические

Учредитель: Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения

Основы

Российской академии наук

Издатель: Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Научно-технолоПриборостроения

гический центр уникального приборостроения

Российской академии наук

Журнал зарегистрирован 15 февраля 2000 г .

Министерством Российской Федерации по делам

печати, телерадиовещания и средств массовой

2013. Том 2.Журнал переиздается на английском языке №4 информации под названием «Physical Bases ISSN: 2225–4293 Свидетельство о регистрации ПИ № 77–1685 of Instrumentation»

ПустовойтВ.И., гл. редактор, академик РАН, Pustovoit, V. I., Editor-in-Chief, Academician RAS,

РЕДКОЛЛЕГИЯ EDITORIAL BOARD

д.ф.–м.н., профессор Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

КравченкоВ.Ф., зам. гл. редактора, Kravchenko, V. F., Deputy Editor-in-Chief, д.ф.–м.н., проф. Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

БелоцерковскийО.М., академик РАН Belotserkovskii, O.M., Academician RAS БоголюбовА.Н., д.ф.–м.н., проф. Bogolyubov, A.N., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

БориткоС.В., д.ф.–м.н., проф. Boritko, S. V., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

ВиноградовЕ.А., член-корр. РАН, Vinogradov, E. A., Corresponding Member of the RAS, д.ф.–м.н., проф. Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

ГуляевЮ.В., академик РАН, д.ф.–м.н., проф. Gulyaev, Yu.V., Academician RAS, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .



ДмитриевА.С., д.ф.–м.н., проф. Dmitriev, A.S., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

ДиановЕ.М., академик РАН, д.ф.–м.н., проф. Dianov, E. M., Academician RAS, Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

ЖижинГ.Н., д.ф.–м.н., проф. Zhizhin, G. N., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

КомпанецО.Н., д.ф.–м.н., проф. Kompanets, O. N., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

КошкинВ.И., д.ф.–м.н., проф. Koshkin, V. I., Dr. Sci. (Phys.–Math.), Prof .

–  –  –

Г. П. Синявский, Л. В. Черкесова, Г. Н. Шаламов G. P. Sinyavsky, L. V. Cherckesova, and G. N. Shalamov Синергетический подход к исследованию нелинейных Synergetic Approach to Research of Nonlinear Parametrical параметрических зонных систем, работающих в высших Zones Systems, Working in the Higher Zones of Oscillation зонах неустойчивости колебаний. Часть II Instability. Part II

–  –  –

и аксиально-симметричных периодических структурах Symmetric Periodic Structures В.Т. Ерофеенко, В. Ф. Кравченко V.T Erofeenko, V. F. Kravchenko Исследование поведения импульса поля электрического Study of the of the Electric Dipole Field Pulse Behavior

–  –  –

Сдано в набор 02.12.2013. Подписано в печать 25.12.2013 .

Формат бумаги 420х297. Печать цифровая. Печатных листов 33 .

Тираж 300 экз. Цена договорная .

Отпечатано «ООО DC Print», г. Подольск, ул. Мраморная 3, оф. 57 .

Все права защищены. Перепечатка материалов журнала невозможна без письменного разрешения редакции .

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ. 2013. Т.2. №4

ОСНОВЫ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ УДК 533.9; 53.043

АКУСТООПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРОМЕТРЫ

ИЗОБРАЖЕНИЯ ВИДИМОГО И БЛИЖНЕГО

ИК ДИАПАЗОНОВ

© Авторы, 2013 В.М.Епихин — к.ф.–м.н., с.н.с., ЗАО «Сигма-Оптик ЛТД». E-mail: epikvm@mail.ru Ю.Ф.Кияченко — к.ф.–м.н., в.н.с., ЗАО «Сигма-Оптик ЛТД». E-mail: kiyatchenko@mail.ru М.М.Мазур — д.т.н., начальник лаборатории, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений». E-mail: s-mmazur@mail.ru Л.И.Мазур — н.с., ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»



Л.Л.Пальцев — с.н.с., ЗАО «Сигма-Оптик ЛТД»

Ю.А.Судденок — инженер-электронщик, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

В.Н.Шорин — с.н.с., ЗАО «Сигма-Оптик ЛТД». E-mail: chorin@vniiftri.ru Созданы и исследованы спектрометры изображе- Imaging spectrometers with single-crystal and doubleАннотация Abstract ния с одиночным (однокристальным) и двойным crystal monochromators are created and investigated (двухкристальным) акустооптическими монохро- the basic characteristics of these imaging маторами. Измерены их основные характеристики: spectrometers: spectral range, spectral resolution, the спектральный диапазон, спектральное разреше- quality of obtained images, including the number of ние, качество получаемых изображений — количе- space resolved line pairs in the image, image ство пространственно разрешенных пар линий в aberrations and the uniformity of the signal transfer изображении, аберрации изображения и однород- parameter in the image field. The characteristics of ность коэффициента передачи сигнала в поле изо- single-crystal and double-crystal monochromator бражения. Проведено сравнение характеристик imagers are compared .

спектрометров изображения с одиночным и двойным монохроматорами .

Ключевые слова: спектрометр изображений, Key words: imaging spectrometer, spectral filtering of спектральная фильтрация изображений, акусто- images, acousto-optic monoсhromator, acousto-optic оптический фильтр, акустооптическая ячейка tunable filter, acousto-optic cell, spectral resolution, spatial resolution Спектральная фильтрация изображений в последнее время активно используется для обнаВведение ружения и идентификации объектов, для визуализации и анализа их структуры [1] .

Практическая значимость получения спектральных изображений состоит в том, что структурные особенности наблюдаемого объекта могут проявляться путем изменения контраста компонентов его изображения, полученного в определенных спектральных интервалах, в то время как в других спектральных интервалах, равно как и для неселектированного (белого) излучения, эти особенности проявляются слабо или не проявляются вовсе [2, 3]. Для решения задач, в которых полоса пропускания должна иметь возможность перемещения по спектральному диапазону, в качестве селектирующего элемента монохроматора используют перестраиваемые фильтры: акустооптические, Фабри-Перо, Ли и Солса, электрооптические, жидкокристаллические [4, 5] .

Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов Акустооптические фильтры имеют электронное управление, отличаются высоким быстродействием, пропусканием, спектральным разрешением и светосилой, а также обеспечивают наиболее широкий спектральный диапазон. Цель данной работы — создание акустооптического спектрометра изображений (видеоспектрометра), а также исследование его свойств и потенциальных возможностей .





Одним из наиболее информативных спектральных диапазонов, в частности для решения экоТребования к конструкции спектрометра и его составных частей логических задач при дистанционном зондировании, являются видимый и ближний ИК диапазоны. Благоприятным обстоятельством является то, что для этого диапазона разработаны и выпускаются относительно недорогие матричные фотоприемники, обладающие качественными характеристиками (достаточное количество элементов изображения, чувствительность, cпектральный диапазон) .

При работе акустооптического фильтра (АОФ) в составе видеомонохроматора требуется, чтобы в рабочем угловом поле фильтр имел малые величины оптических аберраций и хроматического смещения изображения. В традиционных конструкциях АО фильтров эти параметры не являются существенными. Предлагались два пути решения этой проблемы: создание симметричной конструкции двойного монохроматора, включающей две акустооптических ячейками, в котором искажения компенсируются [6, 7]; разработка специальной геометрии ячейки, где эти эффекты были бы уменьшены до необходимого уровня, при этом монохроматор остается одиночным [8]. Нами были использованы оба варианта. Из практических соображений варианты монохроматоров были сделаны на разные, но перекрывающиеся диапазоны: двойной монохроматор на диапазон (440–760) нм и одиночный монохроматор, на диапазон (632–1160) нм .

Оптимальная работа АО фильтров для передачи изображения требует параллельного хода лучей в ячейках, следовательно, оптическая система прибора должна обеспечить такой участок для размещения АО фильтра. Это определило конструкцию оптической системы .

Размерность фотоприемной матрицы должна быть согласована с параметрами монохроматора. Количество элементов (пикселей) матрицы вдоль любого направления изображения должно быть не менее отношения предельного полевого угла монохроматора к угловому разрешению монохроматора по этому направлению .

На рис. 1 приведена блок-схема акустооптических спектрометров изображения видимого (ВИ)

3. Устройство спектрометров и инфракрасного (ИК) диапазонов. Основными узлами спектрометров являются следующие:

входной объектив, определяющий поле зрения видеоспектрометра и формирующий необходимые параметры светового пучка в монохроматоре; акустооптический монохроматор изображений, производящий спектральную селекцию излучения; выходной объектив, создающий изображение анализируемого объекта на фотоприемной матрице; чувствительная монохромная видеокамера; ВЧ-драйвер, формирующий ВЧ сигнал и усиливающий его по мощности до уровня, необходимого для обеспечения высокого коэффициента передачи монохроматора .

ВЧ драйвер монохроматора состоит из синтезатора частоты и усилителя мощности. С целью унификации приборов в обоих спектрометрах используются почти одинаковые входные и выходные объективы. Их отличие заключается в размере промежуточной диафрагмы задающей угловое поле световых пучков в монохроматоре. ВЧ драйверы спектрометров также частично унифицированы, у них одинаковые синтезаторы частоты. Основное отличие спектрометров заключается в конструкции акустооптических монохроматоров. В АО спектрометре видимого диапазона применен двойной АО монохроматор, в АО спектрометре ИК диапазона применен одинарный АО монохроматор. В качестве приемника изображения спектрометров использовалась камера Prosilica GХ2750 Allied Vision Technologies с количеством пикселей (27502200) и размером фотоприемной площадки (12.510.0) мм. Таким образом, для ВИ монохроматора изображение размером (1010) мм полностью размещается на фотоматрице. Для ИК монохроматора ситуация другая — фотоприемная площадка не покрывает всего размера изображения (круг диаметром 12.6 мм) .

Физические основы приборостроения. 2013. Т.2. №4 Епихин В.М., Кияченко Ю.Ф., Мазур М.М., Мазур Л.И., Пальцев Л.Л., Судденок Ю.А., Шорин В.Н .

Рис. 1. Блок–схема акустооптических спектрометров изображения .

На рис. 2 показаны оптические схемы монохроматоров видимого (а) и ИК диапазонов (б) .

3.1. Устройство монохроматоров Для упрощения широкополосного согласования ультразвукового преобразователя с ВЧ трактом в применяемых АО ячейках генерируется продольная звуковая волна, которая затем конвертируется в сдвиговую на скошенной надлежащим образом грани АОЯ [10] .

–  –  –

Рис. 2. (а) — схема двухкристального монохроматора видимого диапазона, (б) — схема однокристального монохроматора ИК диапазона. 1— поляризаторы; 2 — АО ячейки из парателлурита (ТеО2 ); стрелками обозначены направления поляризации света и распространения световых пучков .

В фильтре симметричной конструкции (рис. 2, а) использовались неколлинеарные акустооптические ячейки, в которых световой пучок с обыкновенной поляризацией распространяется под углом 14.4° оси Z кристалла и дифрагирует на сдвиговой звуковой волне с волновым вектором, направленным под углом 7.1° к оси [110] кристалла. Как показано в [9], cимметричная конструкция при работе в параллельных пучках обеспечивает отсутствие искажений передаваемого через двойной монохроматор изображения. Это очень важное достоинство двойного монохроматора, так как получаемое изображение не требует дополнительной обработки для устранения как хроматических, так и геометрических аберраций. При управлении от единого синтезатора частоты для точного совпадения центров аппаратных функций АОЯ на спектральной шкале ячейки двойного монохроматора должны быть с высокой степенью идентичными, что возможно при применении специальной технологии обработки кристалла [11]. Другой способ совмещения аппаратных функций в двойном монохроматоре описан в [12], возможность его использования в видеомонохроматоре требует дополнительного изучения .

Акустооптический монохроматор ИК диапазона построен по традиционной однокристальной схеме, рис. 2,б. Направления распространения ультразвукового и «обыкновенного» светового пучков в кристалле ТеО2 составляли: 12.3° к оси [110] и 26.3° к оси [001], соответственно .

Оптическая апертура ячейки составляла (1212) мм. Длина пьезопреобразователя ультразвукоОсновы приборов и устройств Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов вых волн составляла 26 мм. Максимальная угловая апертура АО фильтра ограничивалась на уровне 5.2° с помощью полевой диафрагмы .

Особенностью использованной АОЯ являлась эффективная компенсация углового дрейфа продифрагировавшего светового пучка в рабочем диапазоне (632–1160) нм. Причиной дрейфа является дисперсия кристалла ТеО2 [12]. Как показали исследования [8], углом наклона между входной и выходной гранями АОЯ можно минимизировать спектральный угловой дрейф выходного пучка. При этом спектральный дрейф угла дифракции в АО ячейке максимально компенсируется дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани .

Результаты расчета показывают, что в этом случае величина остаточного спектрального углового дрейфа светового пучка Dq » 1.910-3 град. не превышает его дифракционной расходимости Dq » 3.710-3 град. Таким образом, компенсация является эффективной .

Фокусирующая оптика спектрометров состоит из двух независимых частей: входного объекФокусирующая оптика спектрометров тива, создающего промежуточное изображение предмета на полевой диафрагме и системы, передающей это изображение на поверхность фотоприемника (видеокамеры). Вторая часть состоит из двух компонентов: коллиматора и фокусирующего объектива с параллельным ходом лучей между ними. Из конструктивных соображений система коллиматор — фокусирующий объектив выбрана симметричной, так что она обладает единичным (по модулю) увеличением .

Компоненты представляют собой одинаковые ахроматические дублеты. Фокусное расстояние компонентов 140 мм определяется предельной угловой апертурой акустооптического фильтра и предполагаемым размером фотоматрицы. Роль апертурной диафрагмы всего устройства, определяющей светосилу спектрометров, выполняют оправа акустооптического фильтра (10х10) мм в ВИ–монохроматоре и оправа поляризатора 12 мм в ИК–монохроматоре. Входной объектив представлял собой триплет с фокусным расстоянием 63мм и обеспечивал для предмета, удаленного на бесконечность, угловое поле зрения ±4.5° и ±5.7° для монохроматоров ВИ– и ИК– диапазонов, соответственно. Для других условий работы, (другие поля зрения, работа с предметом на малом конечном расстоянии и т.п.) объектив может быть заменен на другой с соответствующими характеристиками. Как показали расчеты, оптическая система в целом имеет разрешение, близкое к дифракционному. Малый хроматизм фокусирующей системы во всем диапазоне (0.44–1.16) мкм позволил использовать ее для обоих спектрометров, применив соответствующее широкополосное просветление. Расчетная бочкообразная дисторсия составляла » 1%. Перефокусировкой входного объектива можно было настроиться на предмет, находящийся на конечном расстоянии, в пределах (2–) м без потери качества .

Блок электроники спектрометров включал в себя высокочастотный драйвер акустооптичеБлок электроники спектрометров ских ячеек и контроллер на базе микропроцессора AT91SAM7, управляющий спектрометром .

Драйвер представлял собой синтезатор частоты, выполненный по схеме прямого синтеза на микросхеме AD9954, и двухканальный ВЧ усилитель мощности. Усилитель обеспечивал эффективность АОФ не менее 70% во всем спектральном диапазоне. Регулировка уровня ВЧ мощности осуществлялась как встроенным в синтезатор ЦАП, так и дополнительным 14 разрядным ЦАП, управляемым микропроцессором. Выходные фильтры на выходе синтезатора и усилителя — фильтры верхних частот шестого порядка. Управление ВЧ драйвером, т.е. задание частоты или длины волны, а также необходимого уровня выходной мощности производится от внешнего управляющего компьютера через USB вход микропроцессора. Дополнительный 14 разрядный ЦАП позволяет плавно изменять смещение выходного каскада усилителя мощности для корректировки в небольших пределах выходной мощности, что дает возможность задать необходимый профиль изменения смещения выходного каскада усилителя при перестройке драйвера по диапазону частот. Это позволяет для каждой селектируемой длины волны света корректировать амплитуду аппаратной функции. Профиль коррекции записывается вместе с таблицей зависимости длины волны света от частота ультразвука в файл параметров каждого спектрометра .

Физические основы приборостроения. 2013. Т.2. №4 Епихин В.М., Кияченко Ю.Ф., Мазур М.М., Мазур Л.И., Пальцев Л.Л., Судденок Ю.А., Шорин В.Н .

Основные параметры акустооптических видеоспектрометров, полученные эксперименРезультаты и их обсуждение тально, сведены в таблицу 1 .

Таблица 1. Основные экспериментальные параметры акустооптических видеоспектрометров ВИ– и ИК– диапазонов

–  –  –

Во втором столбце приведены границы спектрального рабочего диапазона .

4.1. Спектральные параметры В третьем столбце даны значения частотного рабочего диапазона, определяемого полосой согласования ультразвуковых преобразователей АО- ячеек по уровню КСВН 2.0 и определяющего границы спектрального диапазона .

В четвертом столбце указаны значения частоты управляющего сигнала для реперных лазерных длин волн. Эти значения использовались для вычисления коэффициентов k1,2 в приближенной калибровочной формуле зависимости частоты управляющего сигнала f от длины волны фильтруемого излучения, для спектрометра ИК диапазона f = l-1 k1 Dn l + k2 l-1, (1) где Dn — разность коэффициентов преломления необыкновенного и обыкновенного лучей .

Интерполяционная зависимость между управляющей частотой и длиной волны света для спектрометра видимого диапазона строилась по 12 реперным точкам, измеренным на дифракционном спектрофотометре .

В пятом столбце помещены значения ширины обращенной аппаратной функции Df0.5 по уровню 0.5 для коллимированного светового пучка, измеренные на соответствующих лазерных длинах волн. Эти значения постоянны во всем рабочем диапазоне каждого из спектрометров .

В шестом столбце содержатся значения ширины спектральной аппаратной функции Dl0.5 по уровню 0.5, рассчитанные с использованием значений Df0.5 и данных по дисперсии ТеО2 [13] по формуле [14] Dl0.5 = -Df0.5 l / b f, где b = 1 -[ d Dn / dl ]l / Dn .

Вначале проводились исследования формирующей оптики. С этой целью акустооптичеПространственное разрешение ский монохроматор удалялся, а входной телескоп напрямую соосно соединялся с выходным объективом посредством переходника. Измерения пространственного разрешения проводились на стандартном оборудовании из набора оптической скамьи ОСК-2 по стандартной методике визуального наблюдения изображения набора мирр через оптический микроскоп .

Результаты показали, что пространственное разрешение формирующей оптики спектрометров близко к дифракционному .

Основы приборов и устройств Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов Для исследования пространственного разрешения видеоспектрометров с помощью лазерного принтера был изготовлен плакат с изображением набора мирр в декартовой системе координат. Размеры мирр составляли геометрическую прогрессию со знаменателем q = 0.89. Плакат устанавливался на расстоянии 4 метров от приборов и освещался с фронтальной стороны тремя лампами накаливания мощностью по 100 Вт. Таким образом, изображение плаката наблюдалось в отраженном свете. Для получения максимально резкого изображения выходной объектив имел возможность подстройки .

В качестве меры пространственного разрешения использовалось число одновременно наблюдаемых в поле изображения разрешенных по критерию Рэлея пар линий (NxNy), Nx — по горизонтали (в плоскости акустооптического взаимодействия), Ny — по вертикали (в плоскости, перпендикулярной плоскости акустооптического взаимодействия). Значения Nx и Nу приведены в седьмом столбце .

Для спектрометра видимого диапазона измерения проводились на длине волны 630 нм .

Использовалась квадратная полевая диафрагма (10х10) мм, что обеспечивало угол зрения АОФ ±2.0° по вертикали и горизонтали. Пространственное разрешение в центре кадра составляло (900900) пар линий в пересчете на весь кадр. Следует отметить, что по краям кадра пространственное разрешение примерно в 1.5 раза ниже, чем в центре.

Центральное пространственное разрешение приблизительно в 1.3 раза ниже дифракционного, которое оценивалось по формуле:

N d » 1 A / F l, где l = 10 мм — размер поля изображения, равный размеру полевой диафрагмы; A = 10 мм — апертура АОЯ; F = 140 мм — фокусное расстояние фокусирующего объектива; l = 0.63 мкм — длина волны фильтруемого излучения. Важным результатом является изотропия пространственного разрешения в кадре .

Спектрометр ИК- диапазона исследовался на длине волны 980 нм. Использовалась полевая диафрагма с круглым отверстием 12.6 мм, что давало угол зрения АОФ ±2.6°. Для центральной области кадра было получено Nx=410, Ny=465 в пересчете на весь кадр. И в данном случае на периферийных участках кадра разрешение было ниже центрального приблизительно в 1.5 раза .

Следует отметить, что размер светочувствительной площадки использованной фотоматрицы в вертикальном направлении занимает только 0.8 размера поля изображения, поэтому, в случае заполнения пикселями всего поля изображения, величина Ny может быть увеличена до максимально возможного значения 465/0.8 = 580. Таким образом, пространственное разрешение в центре кадра в горизонтальном направлении в 2.2 раза, а в вертикальном направлении в 1.6 раза ниже дифракционного, рассчитанного по формуле N d » 1 A / (F l 1.22), где обозначения прежние, l = 12.6 мм, A = 12 мм, f = 140 мм, l = 980 мм. Cледовательно, пространственное разрешение в поле изображения анизотропно с коэффициентом » 1.4 .

Из сравнения результатов измерения пространственного разрешения следует, что в двойном монохроматоре действительно происходит компенсация оптических искажений, возникающих в процессе акустооптической дифракции в одиночном АОФ, причем она наиболее значима в плоскости акустооптического взаимодействия .

Искажения и хроматический сдвиг изображения исследовались с помощью изготовленного

4.3. Оптические искажения при передаче изображения транспаранта, который представлял собой квадратную решетку отверстий диаметром 2 мм и шагом 60 мм в металлическом листе толщиной 1.6 мм. Точность позиционирования отверстий была не хуже ±0.05 мм. Транспарант располагался на расстоянии 4 м от прибора. Источником света служил дневной рассеянный солнечный свет, который освещал решетку сзади .

Хроматический сдвиг (ХС) — это величина смещения координат центров отверстий на изображении транспаранта для крайних точек спектрального диапазона спектрометра ( Dx, Dy ), измеренная в направлении координатных осей x и y (cтолбцы 8 и 9 таблицы, соответственно) .

Из-за наперед известной круглой формы отверстий транспаранта координаты их центров определяются с высокой точностью ( ±1 пиксель). Причиной ХС является спектральный угловой дрейф продифрагировавшего светового пучка в воздухе после выхода из АОЯ (см. п. 3.1.) .

Физические основы приборостроения. 2013. Т.2. №4 Епихин В.М., Кияченко Ю.Ф., Мазур М.М., Мазур Л.И., Пальцев Л.Л., Судденок Ю.А., Шорин В.Н .

Для ВИ спектрометра ХС для любой области кадра в направлении абсцисс не фиксировался (менее одного пикселя), а в направлении ординат не превышал 2 пикселей. Таким образом, экспериментально показано, что в двойном монохроматоре происходит компенсация хроматического сдвига .

Для ИК спектрометра ХС для любой области кадра в направлении x не более одного пикселя, а в направлении y приблизительно 5 пикселей. Хотя эта величина и не превышает интервала, соответствующего измеренному пространственному разрешению в плоскости акустооптического взаимодействия ( » 7 пикселей), она существенно больше расчетной величины спектрального дрейфа АОФ ( » 1 пиксель) .



Численное моделирование показало, что наиболее вероятной причиной наблюдаемого ХС является пренебрежение оптической активностью кристалла ТеО2 в первоначальных расчетах параметров АОЯ. Последовательный учет этого эффекта приводит к другому значению угла между оптическими гранями ячейки для достижения минимального углового дрейфа продифрагировавшего пучка в спектральном диапазоне, причем значение этого минимального дрейфа Dq практически не изменяется (см. п. 3.1.) .

Величина оптических искажений измерялась как разность расстояния между параллельными линиями в центре и по краям кадра, отнесенная к средней величине расстояния. Обнаружена небольшая бочкообразная дисторсия. Измеренное значение » 0.5 % оказалось одинаковым для спектрометров обоих типов и не зависело от длины волны (см. столбец 10 таблицы). Наблюдаемая дисторсия соответствует расчетной дисторсии оптической системы спектрометров .

Зависимость коэффициента передачи спектрометров от координат точки изображения исслеРавномерность коэффициента передачи спектрометров по полю изображения довалась с помощью шарового диффузного излучателя (ШДИ), который являлся широкоапертурным рабочим эталоном спектральной плотности энергетической яркости (ШРЭ СПЭЯ) [15] .

Диаметр фотометрической сферы составлял 180 мм, диаметр выходной апертуры — 60 мм .

Спектрометры устанавливались вблизи края выходной апертуры фотометрической сферы .

Известно, что для использованного ШДИ неравномерность энергетической яркости по выходной апертуре не превышала нескольких процентов. Зависимость коэффициента передачи оценивалась как отношение фотосигналов пикселей периферийных и центральных областей кадра, эта усредненная величина приведена в столбце 11. Ее значения, измеренные на длинах волн 670 нм и 980 нм, составили 0.4 и 0.5 для ВИ и ИК спектрометров, соответственно. Обнаруженная зависимость, по-видимому, обусловлена виньетированием наклонных к оптической оси световых пучков на оправах элементов оптического тракта спектрометров .

Реально получаемое на выходе видеокамеры спектрометра спектральное изображение наблюдаемого объекта представляет собой двумерный файл оцифрованных фотоэлектрических сигналов дискретных элементов фотоматрицы qlxy ql x y = Bl x y Dl kl x y, где Bl xy — спектральная яркость элементарной площадки поверхности объекта DS xy, cоответствующая площадке ds xy пикселя фотоматрицы с координатами x, y, Dl — интервал длин волн фильтруемого излучения;

kl xy полный коэффициент передачи спектрометра на длине волны для световых пучков, создающих изображение ds xy площадки DS xy. Таким образом, наблюдаемое изображение пропорционально не только спектральной яркости, но и приборному коэффициенту, имеющему свое собственное распределение в поле изображения .

Для восстановления распределения Bl xy на поверхности объекта по его наблюдаемому спектральному изображению qlxy необходимо провести калибровку спектрометра, то есть определить файл калибровочных коэффициентов kl xy путем «попиксельного» фотометрирования Основы приборов и устройств Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов выходной апертуры ШРЭ СПЭЯ, для которого спектральная яркость известна и однородна:

Bl xy = Bl [15]. Далее, для получения искомого распределения Bl xy исследуемого объекта следует использовать обратное преобразование Bl x y = ql x y / Dl kl x y .

Следует указать следующие характерные времена, ограничивающие быстродействие акустоБыстродействие спектрометров оптических спектрометров как ВИ, так и ИК диапазонов:

1. Время прохождения фронта ультразвуковой волны через апертуру светового пучка («физическое» время t ). Оценки дают t » 1510-6 с .

2. Время формирования заданного значения частоты управляющего ВЧ сигнала, включая время трансляции командного импульса от микропроцессора в синтезатор частоты («электронное» время t ). Эксперименты показали, что t » 3010-6 с .

3. Время формирования и записи кадра изображения (время «накопления» t ). В наших экспериментах в качестве внешней подсветки объектов использовался либо рассеянный солнечный свет, либо свет электрических ламп накаливания суммарной электрической мощностью не более 300 Вт. При этом для достижения отношения сигнал/шум 10 время накопления составляло: для ВИ спектрометра t » 0.1 - 0.5 с; для ИК спектрометра t » 0.5 -1 с .

В нашем случае быстродействие ограничивалось временем накопления н. Однако, при наблюдении очень ярких излучающих объектов возможна ситуация, когда t t, t и быстродействие принципиально ограничено временами t и t .

1. Исследованы основные экспериментальные параметры видеоспектрометров на базе двойВыводы ного и одиночного акустооптических монохроматоров, предназначенных для получения спектральных изображений удаленных объектов и проведено их сравнение .

2. Одно из главных преимуществ схемы двойного АО-монохроматора — полная компенсация спектрального углового дрейфа продифрагировавшего светового пучка, обусловленного дисперсией кристалла АОЯ. К достоинствам двойного монохроматора следует отнести изотропность пространственного разрешения в поле изображения, а также величину пространственного разрешения, близкую к дифракционной. Важным преимуществом двойного монохроматора является уменьшение интенсивности боковых максимумов аппаратной функции, что увеличивает достоверность регистрируемого спектрального изображения объекта .

3. Главными достоинствами одиночного монохроматора являются простота его конструкции (следовательно, надежность и более низкие масса, габариты, стоимость), а также большая, чем в двойном монохроматоре, угловая апертура. К особенностям следует отнести анизотропность пространственного разрешения в поле изображения .

4. В схеме одиночного АО-монохроматора возможна компенсация спектрального углового дрейфа на уровне дифракционной расходимости светового пучка. Поскольку эффективность такой компенсации растет с увеличением длины волны фильтруемого излучения, эта схема имеет наибольшие преимущества в ИК- области .

Авторы благодарят Ю.К. Калинникова за интерес к работе и помощь по расчету ВЧ фильтров драйвера, Е.А.Лаврова за помощь в оформлении статьи. Данная работа выполнена в рамках ГК 16.523.11.3005 в целях реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2007–2013 годы» .

Физические основы приборостроения. 2013. Т.2. №4 Епихин В.М., Кияченко Ю.Ф., Мазур М.М., Мазур Л.И., Пальцев Л.Л., Судденок Ю.А., Шорин В.Н .

–  –  –

This work is devoted to the description of the created acousto-optical (AO) imaging spectrometers of visible and near infra-red ranges and research of their characteristics: spectral ranges, spectral bandwidth, quality of received images. In introduction, the short review of existing ways of spectral images detection is given. In the second section of article, requirements for designing the imaging spectrometers and necessary properties of acousto-optical monochromators are discussed .

The construction of acousto-optical imaging spectrometers are described: the principle diagram of the devices, optical schemes of acousto-optical monochromators of visible and infra-red ranges, Основы приборов и устройств Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов the characteristic of AO spectrometers, a design of input optics, a design of radiofrequency control unit (driver) of monochromators. In the spectrometer of visible range, the symmetric two-crystal acoustooptical monochromator made of TeO2, which is distortion-compensated is used. In the spectrometer of the infra-red range, the single-crystal monochromator is used, in which an effective compensation of angular drift of the diffracted light beam is due to the dispersion on the output crystal face inclined at the specific angle to the beam .

These two different designs of acousto-optical monochromators can be compared in the spectral interval of the overlapping of their spectral ranges. The advantages of the double monochromator are the isotropic distribution of spatial resolution across the images field, and that the spatial resolution is close to the diffraction limit. Important additional advantage of the double monochromator is the reduction of intensity of sidelobes of the transmission function that raises reliability of the detected spectral images of the object. The main advantages of the single monochromator is a simple design (reliability of the construction and lower weight, dimensions, and the cost), and also the larger angular aperture, than in the double monochromator. It is necessary, however, note the anisotropy of spatial resolution across the images field.




Похожие работы:

«ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ SKAT-V.12DC-4 ICE РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ФИАШ. 436237.019 РЭ Настоящее руководство по эксплуатации предназначено для ознакомления с основными тех...»

«ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Сборник научных статей в 2 частях ЧАСТЬ 2 8 4 ФКС XX: сборник научных статей. Гродно: ГрГУ, 2012 Механохимический метод подготовки компонентов функциональных материалов на основе политетрафторэтилена может обеспечить значительный рост по...»

«Серия FCU5xxx Руководство по эксплуатации Сауна Сауна и баня Сауна, баня и ИК Паровая и хамам FCU5000 FCU5200 FCU5400 FCU5000-STEAM Doc-ID: B_FCU5xxx_RU Version: V 1.00 reviewed Изготовитель не несет ответственность за возможные опечатки и возможные техническ...»

«№ 7 липень 2014 УДК 624.151:624.151:624.155 КРИТЕРИЙ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СВАЙ В ПРОБУРЕННЫХ СКВАЖИНАХ А. Н . Моторный, магистр, с. н. с., Н. А. Моторный, к. т. н., доц Ключевые слова: буронабивная свая, буроинъекционная свая, статические испытания свай, несущая способность свай, технология...»

«Порше Центр Тольятти • 445024 • Тольятти • Революционная, 82 ООО "Премьер-Спорт"Получатель: PC Togliatty/Samara (Premier Sport) Революционная, 82 445024 Тольятти 445024 Тольятти Телефон: +7-8482...»

«ВОДНЫЕ ПУТИ СООБЩЕНИЯ И ГИДРОГРАФИЯ УДК 528.475 П. И. Барашок, Ю. Г. Фирсов СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ МОРСКОГО ДНА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ ДО СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПР...»

«ГОСТ ИСО 6524-95 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ КОНТРОЛЬ ДЛИНЫ РАЗВЕРТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ВКЛАДЫШЕЙ Издание официальное БЗ 6-93/427 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТА...»

«ГОСТ 22.0.09-97 ГОСТ Р 22.0.09-95 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ Безопасность в чрезвычайных ситуациях ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ НА АКВАТОРИЯХ Термины и определения Издание официальное Москва Стаидартинформ топ с кружевом с чем носить ГОСТ 22.0.09—97/ГОС...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.