УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ СВЕТОВОЗВРАЩЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2003 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, преимущественно к устройствам для измерения отражательных характеристик оптико-электронных приборов.

Известна лабораторная установка для измерения основной отражательной характеристики оптико-электронных приборов (ОЭП) - показателя световозвращения (ПСВ), описанная в [1] и содержащая: источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, апертурную диафрагму диаметром D_СВ, инспектируемый световозвращатель (СВ) или эталонный СВ с ПСВ R=R_эт, и далее, последовательно установленные по ходу отраженного СВ излучения светоделитель, глухое зеркало, приемный коллиматор (с фокусным расстоянием f'), в фокальной плоскости которого установлены сменные измерительные диафрагмы с диаметрами d_к, и далее - оптический светоделитель, в одном плече которого расположена проекционная оптическая система и ПЗС-матрица, плоскость установки которой оптически сопряжена с фокальной плоскостью приемного коллиматора, выход которой соединен со входом видеомонитора, в другом плече - конденсорная линза и приемник излучения (ПИ), выход которого соединен со входом цифрового вольтметра, а значение ПСВ инспектируемого ОЭП, усредненное в телесном угле

определяется по выражению

где U_эт - напряжение измерительного сигнала от эталонного световозвращателя, снимаемого с ПИ, U_СВ - напряжение измерительного сигнала от контролируемого СВ, R_эт - известный ПСВ эталонного СВ.

При подсветке оптической системы ОЭП узконаправленным зондирующим лазерным излучением наблюдается эффект световозвращения, при этом ОЭП представляет собой СВ. Эффект световозвращения проявляется в том, что независимо от угла подсвета (пеленга) ОЭП зондирующим излучением, отраженное ОЭП излучение распространяется в направлении, близком к направлению его падения. Такой характер отражения связан с автоколлимационным ходом лучей в типичной оптической системе облучаемого ОЭП, в фокальной плоскости которой находится, как правило, какой-либо отражающий элемент (измерительная сетка, приемник излучения (ПИ) и др.). Излучение подсвета проходит через объектив в прямом ходе, фокусируется им, например, в плоскости ПИ, отражается от него, а затем проходит через объектив, но уже в обратном ходе. В результате после прохождения выходного зрачка ОЭП формируется индикатриса ретроотраженного излучения, угловой размер которой не превышает несколько мрад., а форма определяется конструкцией оптической системы и ее аберрационными характеристиками.

Основными отражательными энергетическими характеристиками ОЭП являются: R - показатель световозвращения; I - индикатриса отражения.

ПСВ ОЭП - в некотором направлении распространения ретроотраженного излучения представляет собой отношение силы света излучения, отраженного в выбранном направлении, к облученности входного зрачка ОЭП:

где I_э(θ,α) - энергетическая сила света, отраженная от ОЭП, т.е. индикатриса; θ,α - углы, характеризующие направление от оси индикатрисы отражения; Е_э - энергетическая освещенность входного зрачка ОЭП.

Совокупность ПСВ по всем направлениям составляет нормированную пространственную индикатрису отражения световозвращателя.

По своему определению ПСВ является внутренней характеристикой ОЭП, не зависящей от условий подсвета и приема отраженного излучения. Реально может быть измерена величина ПСВ, усредненная по некоторому конечному телесному углу Ω

Измерение ПСВ могут проводиться как в натурных условиях (дистанционные измерения), так и в лабораторных, имитирующих механизм отражения от ОЭП и приема отраженного излучения на дальностях L_→ ∞. При дистанционных измерениях значения ПСВ усредняются по телесному углу

где D - диаметр входного зрачка приемной системы; L - расстояние до ОЭП.

При лабораторных измерениях значения ПСВ усредняются по телесному углу

где d - диаметр усредняющей измерительной диафрагмы; f' - фокусное расстояние приемного коллиматора.

В известной лабораторной установке измерение ПСВ осуществляется относительным способом, путем непосредственного сравнения сигнала, отраженного от исследуемого СВ, с сигналом от эталонного отражателя с известным ПСВ. Таким отражателем может служить, например, отражатель в виде сферического зеркала, ПСВ которого с высокой точностью может быть определено по формуле:

где ρ - коэффициент отражения по интенсивности от поверхности сферы;
r_эт - радиус образующей сферы.

Исследуемый или эталонный СВ с диаметром входного зрачка D_СВ облучается коллимированным пучком монохроматического излучения, создающим на его входном зрачке равномерную освещенность. Излучение от СВ отражается от полупрозрачного зеркала и направляется в объектив приемного коллиматора. Распределение интенсивности в его фокальной плоскости с точностью до постоянного множителя совпадает с угловым распределением (индикатрисой) отраженного излучения I(α).
Центр индикатрисы соответствует местоположению зондирующего излучателя. Измерительная диафрагма диаметром d, расположенная в фокальной плоскости, усредняет значение ПСВ по телесному углу Ω (4).

Поток, отраженный исследуемым СВ, прошедший через измерительную диафрагму, регистрируется фотоприемником, сигнал с которого

где - усредненная по телесному углу Ω сила света, отраженного от СВ;
τ - коэффициент пропускания по интенсивности оптического тракта СВ - фотоприемник;
S(λ) - абсолютная спектральная чувствительность фотоприемника.

Сигнал, пропорциональный освещенности Е входного зрачка СВ, регистрируется при установке на место ОЭП эталонного СВ в виде сферического зеркала с известным ПСВ R_эт

Расчетная формула для определения ПСВ СВ получается из выражений (6) и (7).

Для увеличения динамического диапазона измеряемых ПСВ необходимо использовать набор измерительных диафрагм разных диаметров. Таким образом, измерение ПСВ данным способом представляет собой итерационный процесс. После смены измерительной диафрагмы, необходимо повторить измерения, предварительно точно отъюстировав диафрагму.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:
1. Необходима достаточно точная и трудоемкая операция по юстировке измерительной диафрагмы, позволяющая совместить центр диафрагмы с центром индикатрисы. Как правило, требуемая точность выставки измерительной диафрагмы составляет 0,05 мм. Процесс настройки и измерения связан с визуальной регистрацией пространственного распределения лазерного излучения и это связано с субъективными погрешностями юстировки.

2. Низкая точность измерения, обусловленная погрешностями визуальной юстировки измерительной диафрагмы.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности измерительной установки и повышение точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения показателя световозвращения, включающем источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, установленные с возможностью замены инспектируемый и эталонный световозвращатели, первый светоделитель, приемный коллиматор, второй светоделитель, в одном плече которого установлена проекционная система и матрица ПЗС, плоскость установки которой оптически сопряжена с фокальной плоскостью приемного коллиматора, в другом плече - конденсорная линза и приемник излучения, выход которого сопряжен со входом цифрового вольтметра, выход матрицы ПЗС и выход цифрового вольтметра соединены со входом микропроцессора, выполненного с возможностью регулирования измерительного телесного угла усреднения Ω_изм в соответствии с величиной измеряемого показателя световозвращения и телесного угла усреднения Ω_эт, соответствующего индикатрисе отражения от эталонного световозвращателя, а также вычисления значения показателя световозвращения R_СВ инспектируемого световозвращателя, усредненного в телесном угле Ω_изм, по выражению

где U_СВ ^max - напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленное микропроцессором в телесном угле усреденения Ω_изм,
U_эт ^max - напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от эталонного световозвращателя, и вычисленное микропроцессором в телесном угле усреденения Ω_эт,
- поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения Ω_изм,
Ф_св(Ω_эт) - поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения Ω_эт,
R_эт - показатель световозвращения эталонного световозвращателя.

Как правило, инспектируемый световозвращатель представляет собой оптический или оптико-электронный прибор.

В частности, первый светоделитель выполнен в виде светоделительного и глухого зеркал, установленных под углом к оптической оси.

Для обеспечения визуального наблюдения с выходом микропроцессора соединен видеомонитор.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена известная из [1] схема установки для измерения ПСВ;
на фиг. 2 - примерный вид индикатрис: а) эталонного СВ, б) инспектируемого ОЭП;
на фиг.3 - схема установки для измерения ПСВ согласно изобретению.

Лабораторная установка содержит источник излучения 1, например, в виде лазера, формирующую оптическую систему 2, объектив коллиматора 3, светоделительную пластину 4, апертурную диафрагму 5, блок 6, представляющий собой эталонный СВ или инспектируемый ОЭП, глухое зеркало 7, объектив 8 коллиматора, светоделительный кубик 9, проекционную оптическую систему 10, ПЗС-матрицу 11, устройство видеоввода 12, микропроцессор 13, видеомонитор 14, конденсор 15, ПИ 16, цифровой вольтметр 17. В предлагаемой установке, в отличие от известной, отсутствуют сменные усредняющие измерительные диафрагмы 18.

Измерение ПСВ осуществляется также относительным способом, путем сравнения значения рассчитанного сигнала от исследуемого СВ с рассчитанным значением сигнала от эталонного отражателя с известным ПСВ при угле усреднения Ω_изм.

Расчетная формула для определения ПСВ СВ при Ω = Ω_изм аналогична (8) и имеет вид

Виртуальная измерительная диафрагма, задающая углы усреднения Ω_изм и Ω_эт, вводится микропроцессором и имитирует роль реальной измерительной диафрагмы 18.

При выполнении измерений микропроцессор 13 регистрирует сигнал с ПИ 16 и с ПЗС-матрицы 11 соответственно. С ПИ на вход микропроцессора поступает напряжение сигналов U_эт ^max и U_СВ ^max от эталонного СВ и инспектируемого ОЭП при максимальном угле усреднения (см. фиг. 2), соответствующее расходимости излучения при отражении от эталонного СВ.

Сигнал, снимаемый с ПИ, пропорционален пространственно-угловому распределению яркости индикатрисы при отражении от СВ

На ПЗС-матрице формируется скрытое электронное изображение в виде пространственного распределения зарядовых пакетов, соответствующих пространственно-угловому распределению силы света сечения индикатрисы при отражении от СВ. С ПЗС-матрицы на вход микропроцессора поступают зарядовые пакеты, накопленные ПЗС-матрицей, за время кадра Т_н от эталонного СВ и инспектируемого ОЭП при максимальном угле усреднения Ω_эт. Микропроцессор по легко реализуемому алгоритму, который математически представляет собой решение задачи интегрирования, вычисляет поток, попадающий на ПЗС-матрицу, от эталонного СВ и инспектируемого ОЭП

Виртуальная диафрагма диаметром d ограничивает область интегрирования по телесному углу Ω (4). При интегрировании необходимо правильно выбрать область интегрирования, т.е. необходимо совместить центр виртуальной диафрагмы с энергетическим центром индикатрисы. Это с высокой точностью реализуется микропроцессором по простому алгоритму, который математически представляет собой решение известной задачи нахождения центра тяжести тела. Введение виртуальной диафрагмы позволяет избавиться от механической юстировки, что повышает точность измерений.

Наличие светоделительного кубика 9 позволяет одновременно регистрировать сигнал с ПИ и ПЗС-матрицы. ПИ интегрирует по площади пространственно-угловое распределение силы света сечения индикатрисы при отражении от СВ (фиг.2) и формирует напряжения сигналов U_эт ^max и U_СВ ^max от эталонного СВ и инспектируемого ОЭП. ПЗС-матрица регистрирует пространственно-угловое распределение силы света сечения индикатрисы при отражении от СВ. Микропроцессор рассчитывает напряжение сигнала от эталона U_эт ^изм и от инспектируемого ОЭП U_СВ ^изм, соответствующее измерительному углу усреднения Ω_изм


Эталонный световозвращатель в виде сферического зеркала имеет сечение индикатрисы ретроотражения, представляющее собой равномерно засвеченный круг и описываемое функцией circ, тогда рассчитываемое микропроцессором напряжение сигнала от эталона U_эт ^изм соответствует измерительному углу усреднения

Окончательно, из (9), (12), (13) формула для расчета ПСВ примет вид

Все вычислительные процедуры, выполняемые микропроцессором, осуществляются по известным, простым и легко реализуемым алгоритмам.

По сравнению с известной лабораторной установкой для измерения ПСВ ОЭП, заявляемое устройство позволяет повысить производительность измерительной установки и повысить точность измерений, путем введения виртуальной диафрагмы и введения микропроцессорного управления при расчете ПСВ и угла усреднения, тем самым, исключая влияние субъективной визуальной юстировки. По сравнению с аналогом, в данной установке возможно легко реализуемое применение более мелкой градации углов усреднения или диаметров виртуальных измерительных диафрагм, что приводит к дополнительному повышению точности измерения ПСВ.

Источники информации
1. Барышников Н. В. , Карасик В.Е., Лабораторные исследования пространственно-частотных характеристик оптических световозвращающих систем.// Вестник МГТУ. Сер.: Приборостроение. Спец.выпуск "Лазерные и оптико-электронные приборы и системы", 1998, с. 11-15.

Устройство относится к области оптического приборостроения, преимущественно к оптико-электронным устройствам измерения отражательных характеристик объектов. Устройство содержит источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, инспектируемый и эталонный световозвращатели, первый светоделитель, приемный коллиматор, второй светоделитель, в одном плече которого установлена проекционная система и матрица ПЗС, в другом плече - конденсорная линза и приемник излучения, выход которого сопряжен со входом цифрового вольтметра. Выход матрицы ПЗС и выход цифрового вольтметра соединены со входом микропроцессора, выполненного с возможностью регулирования измерительного телесного угла усреднения Ω_изм в соответствии с величиной измеряемого показателя световозвращения и телесного угла усреднения Ω_эт, соответствующего индикатрисе отражения от эталонного световозвращателя, а также вычисления значения показателя световозвращения R_св инспектируемого световозвращателя, усредненного в телесном угле Ω_изм. Обеспечивается повышение производительности измерительной установки и повышение точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения показателя световозвращения, включающее источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, установленные с возможностью замены инспектируемый и эталонный световозвращатели, первый светоделитель, приемный коллиматор, второй светоделитель, в одном плече которого установлена проекционная система и матрица ПЗС, плоскость установки которой оптически сопряжена с фокальной плоскостью приемного коллиматора, в другом плече - конденсорная линза и приемник излучения, выход которого сопряжен со входом цифрового вольтметра, отличающееся тем, что выход матрицы ПЗС и выход цифрового вольтметра соединены со входом микропроцессора, выполненного с возможностью регулирования измерительного телесного угла усреднения Ω_изм в соответствии с величиной измеряемого показателя световозвращения и телесного угла усреднения Ω_эт, соответствующего индикатриссе отражения от эталонного световозвращателя, а также вычисления значения показателя световозвращения инспектируемого световозвращателя, усредненного в телесном угле Ω_изм по выражению

где U_СВ ^max - напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленное микропроцессором в телесном усреднения Ω_изм;
U_эт ^max- напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от эталонного световозвращателя, и вычисленное микропроцессором в телесном угле усреднения Ω_эт;
Ф_CB(Ω_изм) - поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения Ω_изм;
Ф_CB(Ω_эт) - поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения Ω_эт;
R_эт- показатель световозвращения эталонного световозвращателя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инспектируемый световозвращатель представляет собой оптический или оптико-электронный прибор. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый светоделитель выполнен в виде светоделительного и глухого зеркал, установленных под углом к оптической оси. 4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что с выходом микропроцессора соединен видеомонитор.