Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа № 6
ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭНЕРГИИ В КРУЖКЕ РАССЕЯНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ОБЪЕКТИВА
Цель работы - освоить методику контроля качества изготовления и сборки инфракрасных /ИК/ объективов по концентрации энергии в кружке рассеяния.
Задание. При выполнении работы произвести экспериментальное измерение концентрации энергии в кружке рассеяния ИК объектива в плоскости наилучшей установки, а также при его расфокусировке.
2.1. Общие теоретические положения
Реальная оптическая система создает изображение с определенными искажениями. Отличия изображения от предмета возникают вследствие аберраций оптической системы, дифракционных явлений, дефектов изготовления, погрешностей сборки и других факторов.
Характеристикой качества изображения служат аберрации различных видов. Оптические системы с большими аберрациями характеризуют, как правило, геометрическими аберрациями, а для систем с малыми аберрациями более удобно использовать волновые аберрации.
Геометрической аберрацией называется отклонение значений координат лучей, вычисленных для реальной системы, от значений координат тех же лучей, вычисленных для идеальной системы. Волновой аберрацией оптической системы называется отклонение реального волнового фронта от поверхности сравнения: сферы для фотографических и других объективов, плоскости для телескопических систем.
Волновая аберрация выражается в единицах длины волны. Если волновая аберрация меньше или равна 0,1, изображение точки можно считать идеальным. Если волновая аберрация равна 0,25, изображение считают хорошим. Указанные пределы определены английским физиком Рэлеем и получили названия критериев Рэлея.
Аберрации вместе с неизбежными погрешностями изготовления оптических деталей и оборки оптических систем снижают качество изображения.
Характеристики качества изображения зависят от требований, предъявляемых к оптической системе прибора. Например, оптические системы астрономических приборов, имеющих малое поле зрения и строящих изображение бесконечно удаленных объектов, должны быть рассчитаны с минимальными аберрациями. Качество изображения таких систем ограничивается лишь дифракцией. Качество изображения оптических систем, применяемых с различными приемниками и создающих изображение с большим полем, которое затем рассматривают визуально, характеризуется резкостью, степенью соответствия геометрического подобия и подробностей структуры различных предметов с их изображениями, а также контрастом. Оптические системы, используемые в оптико-электронных приборах для передачи энергии излучения в целях дальнейшего преобразования ее в электрические сигналы, характеризуются количеством световой энергии и ее распределением в изображении элементарных объектов (светящаяся точка, линия). К таким системам относятся и ИК-системы, преобразующие энергию невидимого инфракрасного излучения объектов в видимое их изображение.
Распределение энергии в изображении бесконечно удаленной светящейся точки в плоскости наилучшего изображения характеризуется функцией рассеяния A(x’,y’). Математическое выражение функции рассеяния A(x’,y’) для безаберрационной оптической системы имеет вид
(2.1)
где J1(z1) - функция Бесселя первого рода первого порядка; аргумент
(2.2)
D) - диаметр входного зрачка оптической системы; - длина волны; f’ - фокусное расстояние; - расстояние до текущей точки от центра пятна рассеяния; x',y' - текущие координаты в плоскости изображения.
Графическое изображение функции рассеяния для безаберрационного объектива показано на рис.2.1. В центральном кружке содержит ся примерно 84% световой энергии всего пятна рассеяния.
Рис.2.1 Рис.2.2
Этот кружок принимают за изображение точки. Светлые кольца, окружающие его, содержат 16% световой энергии и создают фон изображения.
В реальных оптических системах при наличии остаточных аберраций происходит перераспределение световой энергии между центральным кружком и окружающими его кольцами. Особенно сложной получается дифракционная картина в изображении внеосевой точки поля. Поэтому за критерий оценки качества изображения оптических систем с небольшим полем и для исследований по центру поля принимают функцию рассеяния.
Понятие функции рассеяния распространяют и на распределение освещенности в изображении светящейся линии. Функция A(x’,y’) (рис.2.2) рассеяния линии есть результат интегрирования функции A(x’,y’) рассеяния точки по некоторое направлению, например y.Тогда
(2.3)
По виду функции рассеяния определяют наличие аберраций, дефекты изготовления и сборки деталей оптической системы.
Размер кружка рассеяния в видимой и невидимой областях можно намерить с помощью секторного растра (радиальной миры). Метод измерения основан на изменении глубины модуляции потока излучения в зависимости от перемещения пятна рассеяния от центра к краю сектора растра, т.е. в зависимости от радиуса растра, на который проецируется кружок рассеяния.
При перемещении пятна рассеяния вдоль сектора растра (рис.2.3,а) амплитуда модулированного потока излучения будет увеличиваться до тех пор, пока кружок не впишется в угол сектора. В этом случае будет обеспечена 100%-ная модуляция потока излучения и амплитуда его сигнала достигнет максимального значения Amax (рис.2.3,б). Дальнейшее перемещение пятна не вызовет изменения амплитуды сигнала, а только изменит его форму.
По радиусу R растра, на котором амплитуда сигнала имеет максимальное значение и при дальнейшем перемещении пятна вдоль сектора заметно не увеличивается, определяют размер пятна в направлении сканирования
(2.4)
для практического использования можно принять
(2.5)
где R – фиксированный радиус секторного растра при максимальном значении амплитуды сигнала; - угол сектора растра; m - число пар секторов растра.
Изменение амплитуды сигнала А при модулировании пятна рассеяния на различных радиусах растра показано на рис.2.3.в (кривая 1).
При кружке рассеяния с неявно выраженными границами изменение амплитуды сигнала может быть плавным (кривая 2), т.е. не будет четкого фиксирования максимального значения. Тогда радиус растра для определения кружка рассеяния по формулам (2.4) и (2.5) находят, аппроксимируя кривую 2 как кривую с равномерным распределением энергии по пересечению прямых пропорционального изменения сигнала и максимального постоянного сигнала. На рис.2.3,в найденное таким способом значение R отмечено стрелкой. Радиус растра определяют также по амплитуде сигнала, равного 0,7.,.О,9 его максимального значения. Выбор методики измерения, размера пятна методом секторного растра зависит от характера распределения энергии в кружке рассеяния и от требований, предъявляемых к контролируемой оптической системе. Измерения выполняют в различных направлениях, чтобы определить форму кружка в меридиональном и сагиттальном сечениях.
Пределы измерения размеров пятна рассеяния, зависящие от числа секторов растра
(2.6)
или приближенно
(2.7)
где Rmax, Rmin – соответственно максимальный и минимальный фиксированный радиус при максимальном сигнале, т.е. при 100%-ной моду ляции;
Rmax=Rн-0,5lmax Rmin=Rвн+0,5lmin (2.8)
где Rн и Rвн - соответственно наружный и внутренний радиус ротора.
Чем больше число секторов растра, тем меньше погрешность измерения.
Для определения диаметра центрального кружка рассеяния с заданным содержанием энергии используют сканирование пятна рассеяния точечной или щелевой диафрагмой. При исследовании пятно рассеяния сканируют точечной или щелевой диафрагмой, размер которой на порядок меньше диаметра пятна рассеяния. Поток излучения, прошедший диафрагму, пропорционален значению освещенности в данной точке поля.
Поскольку сканирующая диафрагма очень мала по сравнению с полем анализа, ее пропускание можно приближенно аппроксимировать функцией, которая обладает следующими свойствами:
(2.9)
(2.10)
При одномерном сканировании поток излучения, прошедший через сканирующую диафрагму
(2.11)
где A(x) - функции рассеяния исследуемого объектива в направлении сканирования; x0 – координата сканирующей диафрагмы, x – текущая координата поля анализа.
Следовательно, поток излучения, прошедший через сканирующую диафрагму, пропорционален значению функции рассеяния в точке c координатой xo . Сканируя пятно рассеяния по всей плоскости и регистрируя поток излучения с помощью фотоприемника, можно получить одно- или двумерную функцию рассеяния контролируемой оптической системы.
2.2. Описание лабораторной установки
Установка собрана на оптической скамье и включает излучатель – абсолютно черное тело (АЧТ) с блоком питания и светофильтром. АЧТ облучает щель 9, ширина которой регулируется винтовым микрометром
(2.12)
где b’ – диаметр пятна рассеяния, в котором должно сосредотачиваться полученное на основании расчетов или технических условий на объектив относительное количество энергии пятна рассеивания;
f’k.o b f’u.o – фокусное расстояние объективов соответственно коллиматора и испытуемого.
Щель установлена в фокальной плоскости объектива зеркального коллиматора, имеющего оптическую систему типа Кассегрена.
Коллиматор имеет следующие характеристики:
эквивалентное фокусное расстояние f’k.o=598.5 мм;
диаметр основного зеркала =100 мм;
диаметр вторичного зеркала =41 мм;
разрешение =6’’;
расходимость излучения =35’’.
За коллиматором расположен поворотный стол, в котором имеется держатель для испытуемого объектива. В плоскости изображения щели коллиматора помещен пироприемник с анализирующей диафрагмой. Пироприемник типа ПМ-4 имеет характеристики:
пороговый поток в единичной полосе при частоте модуляции излучения Гц – 1*10-9 Вт*Гц-1/2;
вольтова чувствительность
при частоте модуляции Гц – 300 В/Вт;
диаметр приемной площадки – мм;
диапазон спектральной чувствительности – 2…25 мкм.
Для перемещения пироприемника в направлении, перпендикулярном к оптической оси, он закреплен на микрометренной подвижке.
Размер анализирующей диафрагмы определяется соотношением d=b’ при изменении концентрации энергии в пятне рассеяния или соотношением при изменении ФРЛ. Перед приемником установлен модулятор, обеспечивающий модуляцию с частотой f=20 Гц. Для питания привода модулятора используется блок питания. Сигнал с пироприемника поступает на операционный усилитель, запитываемый от блока питания, а затем на осциллограф и измерительный вольтметр. Напряжение питания операционного усилителя 9 В.
2.3. Порядок выполнения работы