Контрольные вопросы:

1. Число-импульсный метод измерения размеров.

2. Поясните метод определения фазового сдвига по форме и параметрам фигур Лиссажу.

3. Назовите основные ограничения использования растровых датчиков.

4. Каким образом обрабатываются сигналы с датчиков линейных перемещений?

5. Поясните схему фотоэлектрического микроскопа и назначение его элементов.

6. Объясните основные этапы обработки результатов измерения размеров.

7. Оцените качество юстировки компонентов стенда по виду сигналов.

8. Пьезодатчики. Чувствительность пьезодатчиков.

9. Пьезодвигатели. Области и особенности их применения.

10. Дифракционный способ контроля величины перемещения.

Лабораторная работа № 2 энергетический расчет сигналов в приборах формирования изображений

Цель работы: Освоение методики энергетического расчета сигналов с фотоприемников в сложных приборах формирования изображений.

Введение: Квантовая эффективность современных CCD сенсоров нового поколения полупроводниковых приемников излучения достигает 95-98%. Шумы новых приборов составляют десятки и единицы электронов, т.е. появляется возможность регистрировать очень малые световые потоки. Сегодня серийное производство CCD сенсоров осуществляется несколькими фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak и “Силар” (Санкт-Петербург). Хорошие характеристики для приборов ночного видения (ПНВ), имеют приборы с CCD сенсором ICX249AL и др., выполненным по технологии EXview HAD CCD SONY и Texas Instruments - CCD сенсор TC253 SPD High Sensitivity CCD) высококачественные приборы ночного видения с таким CCD сравнимы с приборами на ЭОП третьего поколения.

Энергетический расчет в простейшем случае включает в себя два крупных раздела: геометрический расчет и спектральное согласование элементов цепи прохождения сигнала.

Спектральное согласование – определение эффективности выбранного фотоприемника, осветителей для решения общей задачи, часто это задача распознавания. Рассмотрим ее решение на примере построения прибора ночного видения.

Естественные источники света.

Для пассивных приборов ночного видения (ПНВ) Солнце является наиболее часто используемым первичным источником излучения. Его излучение отражается Луной, облаками и направляется на поверхность Земли. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой ~ 6000 К. После отражения от Луны, облаков он изменяется и для ПНВ более подходит модель осветителя, как АЧТ 5600 … 5900 К. Построим распределение энергии по спектру (рис.2.1.).

Поглощение в атмосфере Земли, отражение от верхних слоев атмосферы, Луны, планет изменяет вид спектра излучения. В спектре относительно увеличиваются энергия более длинноволновых составляющих, появляется изрезанность. На рис. 2.2 и рис. 2.3. показан вид спектра излучения составляющих.

Графики взяты с усреднением, по ним сформированы файлы данных и описание итогового светового сигнала. На рис. 2.4. показаны приведенные к единому диапазону длин волн спектры излучения, занесенные в файлы данных.

Рис. 2.1. Спектр излучения черного тела с температурой 5600 К

Рис. 2.2. Кривая спектра излучения небесного свода в ночное время

Рис. 2. 3. Кривые спектров излучения 1─"лунного света", 2 ─ "звездного света" в ночное время

Рис.2.4. Приведенные к максимуму кривые спектров излучения 1─"лунного света", 2 ─ "звездного света", 3  небесного свода в ночное время

Искусственные источники света.

Спектр искусственных источников оптического излучения можно, как правило, описать аналитически. На рис. 2.5 и рис. 2.6 приведены примеры аналитических выражений, которые можно использовать для описания лазерных, светодиодных осветителей.

Рис. 2.5. Использование функций Бесселя для описания спектра источников излучения

Рис. 2. 6. Использование показательных функций для описания спектра источников излучения

Итоговый спектр излучения падающего на объект наблюдения.

Обработка графиков, массивов данных, использование аналитических зависимостей позволяют построить итоговый профиль спектра излучения (рис. 2.7 и рис. 2.8). Файлы данных использованные при расчетах именованы: имя файла = s - индекс спектра; первое число - коэффициент вклада небесного свода; второе - лунного света; третье - звездного света; четвертое – прожектора. Нуль впереди числа указывает на дробь. Например: s2_1_05_06.dat – коэффициенты суммирования – 2, 1, 0.5, 0.6).

Рис. 2.7. Спектр излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0.6

Рис. 2.8. Спектр излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0

Итоговый профиль спектра получается путем сложения компонентов с коэффициентами заданными по энергии. В имя файла введен индекс e – коэффициенты по энергии. На рис. 2.9 приведен пример изменения итогового спектра при задании коэффициентов сложения по линиям спектра и по энергии (файлы : s2_1_05_06.dat - кривая 1 и se2_1_05_06.dat - кривая 2).

Рис.2.9. Спектры излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0.6. 1 – слагаемые заданы по линии спектра,

2 – слагаемые заданы по энергии

Исходя из данных по ситуации, в которой будут применяться приборы, выбирается программа подготовки спектра.

Отражение излучения от объектов.

При отражении от объекта спектр излучения изменяется. Изменение коэффициента отражения в плоскости предметов и позволяет различать объекты и ориентироваться. Сформируем рабочие файлы коэффициентов отражения по графическим данным. На рис.2. 10 приведен вид коэффициентов отражения различных объектов

Рис. 2.10. Коэффициенты отражения различных объектов

Фотоприемники. В настоящее время известно несколько групп полупроводниковых материалов предназначенных для преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Универсальной характеристикой их чувствительности является величина квантового выхода, трактуемая как усредненное во времени число электронов или положительных носителей заряда порождаемых одним фотоном определенной длины волны. Не редко величина квантового выхода задается в процентах (100% соответствует рождению 1 носителя заряда одним фотоном).

Рис. 2.11. Относительная спектральная чувствительность приемников:

1 - pin- фотодиода; 2 - МОП; 3 - кремниевого; 4 - InGaAs; 5 - глаз человека днем;

6 - ICX 409AL; 7 - ICX 249AL.

В сочетании с характеристиками, описывающими шумы прибора, она определяет способность фотоприемника “видеть объекты”. Но в подавляющем большинстве случаев в документации на фотоприемник приводится величина чувствительности в вольтах или амперах на люкс, изготовители как бы сравнивают данный приемник с глазом человека. Данная характеристика дается в виде графика.

Рис. 2.12. Возможность различия объектов по интегральному излучению фотоприемниками ICX409AL, ICX249AL и глазом человека. Излучатель “s2_1_05_06.dat”

По графикам, взятым из электронных документов или отсканированным сформирован массив данных. Первая строка включает в себя значения длин волн в нм, для которых вычислены параметры чувствительности в последующих строках. В данном случае применена линейная шкала с шагом в 5 нм в диапазоне 400 … 1200 нм. Массив легко дополняется новыми строками и входит в перечень файлов данных пакета оценки параметров сигналов ПНВ. На рис. 2.11 приведены графики, отображающие семь строк данного файла.

На рис. 2.12, 2.13 приведены результаты расчетов при различном виде спектра источника излучения (рис. 2.7). Как видно из графиков, ход кривых существенно зависит от спектра источника излучения. Кроме того, различие в сигналах с ICX249AL, кривая чувствительности которого расширена в область больших длин волн выше, чем у ICX409AL. Данные по ICX409AL и ICX249AL показывают выигрыш последних по интегральной чувствительности в 6,5 раз (min – 680 и 4500 mv; typ – 850 и 5500 mv при близких условиях измерения).

Рис. 2.13. Возможность различия объектов по интегральному излучению фотоприемниками ICX409AL, ICX249AL и глазом человека. Излучатель “se2_1_05_06.dat”

Таким образом, можно определить основные этапы проведения спектрального согласования компонентов оптической цепи прибора:

1. Вычисляем зависимость энергии излучения источника освещения от длины волны (Это может быть слагаемый источник, компоненты которого подбираются).

2. Определяем характеристики отражения (пропускания) распознаваемых объектов и фона.

3. Выбираем и вводим в расчеты кривые чувствительности фотоприемников.

4. Вычисляем интегралы по длине волны от произведения характеристик каждого сочетания компонентов, определяя сигналы.

Упрощенное спектральное согласование базируется на использовании модели абсолютно черного тела (АЧТ). Спектральная плотность излучения установлена законом Планка (рис. 2.14)

,

где - длина волны излучения, м; - первая константа излучения, ; - вторая константа излучения, ; - температура .

Положение максимума кривой определяется законом смещения Вина

.

Примерно три четверти энергии находится правее .

Суммарный поток излучения АЧТ определяется законом Стефана-Больцмана.

,

где - постоянная Стефана-Больцмана ( ).

Для реальных тел (“серых”) вводят коэффициент интегральной степени черноты серого тела , в общем случае, зависящий от температуры, длины волны излучения, обобщенного параметра состояния поверхности (шероховатость, окалина и т.п.) - .

.

В отдельных случаях можно приближенно вычислить, но чаще пользуются таблицами. Ниже приведены значения коэффициента для некоторых материалов.

Материал ( )	Температура °	Коэффициент
Железо окись	500…1200	0,85…0,95
Железо полированное	424…1020	0,147…0,377
Вольфрамовая нить	600…1000	0,10…0,16
Вольфрам	1500…2230	0,31
Кожа человека	36	0.98

Величина может быть определена и экспериментально. Закон Кирхгофа для равновесного состояния связывает отражательную способность и степень черноты.

.

Геометрический расчет – определение доли излучения переотраженного, излученного, пропущенного объектом. Объект, как правило, отражает излучение в телесный угол, значительно превышающий апертуру приемной оптики. Потери энергии можно учесть через расчет доли телесного угла излучения, попадающего во входной зрачок камеры. Упрощенно представим эту долю выражением

,

где - усредненный коэффициент пропускания, - усредненная сила источника излучения, зависящие от телесного угла системы.

При диффузионной модели – ламбертов источник излучения

,

где - площадка объекта, - апертурный угол системы.

Для серого тела получим на оптической оси системы

,

где - диаметр входного зрачка, - расстояние до объекта.

Рис. 2.14. Излучение абсолютно черного тела

При эффективном диаметре входного излучения меньшем диаметре входного зрачка оптической системе геометрическая часть расчета энергии упрощается и фактически сводится к вычислению интеграла по чувствительной площадке фотоприемника, например, элемента матрицы, вернее, его микролинзы, если она присутствует, с учетом коэффициента увеличения оптической системы. Такой вариант часто встречается у лазерных приборов, работающих на просвет.

На стенде нанометровых смещений представлен подобный вариант. Однако задача существенно усложнена распределением энергии по пространственным частотам объекта (дифракционная решетка). В первом порядке дифракции, используемом в стенде, содержится только часть энергии пучка.

Описание стендов: Стенд инфракрасных изображений (СИИ) базируется на приемнике МГ-30.

Характеристика чувствительности приемника представлен на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Чувствительностьфотоприемника МГ-30