Содержание
Введение
1 Краткий аналитический обзор современного состояния методики оптической обработки изображений
1.1 Определение понятий точности и чувствительности интерференционных измерений
1.2 Оптические методы повышения чувствительности интерференционных измерений
1.2.1 Условная классификация методов
1.2.2 Многопроходовая интерферометрия
1.2.3 Двухдлинноволновая интерферометрия
1.2.4 Многолучевая интерферометрия
1.3 Оптические и цифровые методы обработки изображений
1.3.1 Цифровые методы обработки изображений
1.3.2 Оптические методы обработки изображений
1.4 Обоснование преимущества фотографических слоев в сравнении с другими фотоприемниками
2 Теоретические исследования методов нелинейной обработки изображений
2.1 Исследование чувствительности метода нелинейной фоторегистрации интерференционных картин при настройках на полосы конечной и бесконечной ширины
5
15
15
27
27
27
34
36
44
44
47
49
52
52
2
2.2 Исследование чувствительности метода дифференцирования 62 интерферограмм при настройке на полосы конечной ширины
2.3 Исследование чувствительности метода псевдоцветного 68 кодирования интерферограмм
2.4 Исследование возможности выявления невидимых 75 изображений на фотоснимках методом анализа в диффузно рассеянном свете
2.5 Исследование факторов, определяющих чувствительность 78 оптической многопроходовой интерферометрии
2.6 Исследование возможности инверсии интерференционной 81 картины в многолучевых интерферометрах
2.7 Исследование возможности наблюдения циркониевого 87 защитного слоя на рентгеновских снимках микроТВЭЛов
3 Экспериментальное исследование возможностей методов 92
нелинейной обработки изображений
3.1 Особенности техники эксперимента при фоторегистрации 92 интерференционных картин в нелинейном режиме
3.1.1 Обоснование интерференционной системы 92
3.1.2 Методика аппроксимации характеристических кривых 93
3.1.3 Выбор фотоматериалов для экспериментальных исследований метода нелинейной фоторегистрации 96
интерференционных картин
3.1.4 Экспериментальное исследование взаимосвязи параметров интерференционной картины, характеристической кривой фотоматериала, режима фоторегистрации и чувствительностью 97 измерений
3.2 Экспериментальное исследование возможностей наблюдения 108 фотоизображений при освещении наклонными пучками (выделение контуров полос на интерферограммах)
3
4 I фактическое применение методов нелинейной обработки изображений
4.1 Применение методов нелинейной фоторегистрации для модернизации интерферометра для контроля астрооптики
4.1.1 Общие положения
4.1.2 Исследование формы металлооптического зеркала для лазерного резонатора
4.1.3 Контроль формы вогнутого медного зеркала
4.1.4 Исследование формы крупногабаритной плоской поверхности
4.1.5 Исследование формы выпуклой поверхности методом муаровой интерферометрии
4.2 Повышение чувствительности микроинтерферометрии путем применения нелинейной фоторегистрации
4.3 Нелинейная фоторсгистрация многолучевых интерференционных картин
Заключение
Список основных научных работ Носкова М.Ф., опубликованных по теме диссертации
Список использованных источников
Приложение А Исследование чувствительности метода нелинейной фоторегистрации интерференционных картин при визуальной наводке на экстремумы полос
Приложение В Решение уравнения (2.21)
110
110
110
117
123
128
130
142
143
148
151
157
166
174
4
Введение
Актуальность проблемы
К приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации относятся, в том числе, производственные технологии, в число которых входят оптические технологии. Например, раздел «Оптоэлсктроника» входит в «Перечень критических технологий Российской Федерации». А в программе «Основные направления фундаментальных исследований в России» в подраздел 1.3 - «Оптика и лазерная физика» входит пункт 1.3.7 — «...Прецизионные оптические измерения».
Оптическая обработка изображений необходима для решения целого ряда задач:
- обработки фотографий интерференционных картин при исследовании параметров разреженных потоков в аэродинамических трубах [1-5], исследовании волновых аберраций прецизионных оптических элементов и систем [6-10], исследовании шероховатости сверхгладких поверхностей зеркал для мощных лазеров;
- выявлении малоконтрастных деталей изображений на рентгеновских снимках технических объектов, например, па рентгеновских снимках, так называемых, тепловыделяющих элементов, а также на астрономических снимках.
При помощи наиболее распространенной двухлучевой интерферометрии и визуальной оценки величины сдвига интерференционных полос можно производить измерения с погрешностью А/20 - А/50, где А. - длина волны используемого излучения. Для источников видимого диапазона погрешность измерений составляет около 10 нанометров, что вполне достаточно для большинства случаев.
Существует целый ряд задач, для решения которых чувствительность интерференционных измерений должна быть повышена при помощи простых
5
средств на один или два порядка. К таким задачам, в частности, относится исследование обтекания тел на баллистических трассах малой плотности, то есть имитация полета искусственного спутника Земли в верхних слоях атмосферы, исследование формы зеркал уникальных телескопов, например, применяемых для коллимации излучения мощных лазеров, измерение интерференционными методами формы шероховатости полированных
сверхгладких поверхностей с Яа менее 1 нанометра.
К настоящему времени разработано множество методов повышения чувствительности интерференционных измерений, но большинство из них имеют очень узкие рамки применения. Например, многолучевая интерферометрия [3-5] может быть применена только при исследовании поверхностей с коэффициентом отражения, близким к единице. Методы, основанные на многократном прохождении зондирующего излучения сквозь исследуемую среду, в большей степени подвержены влиянию вибраций и воздушных потоков, а также могут быть реализованы только в простейших схемах интерферометров (Майкельсона, Тваймана-Грина, Физо). Голографическим методам повышения точности и чувствительности измерений сопутствуют все ограничения голографии по вибрациям.
Отдельно следует отметить, что предлагаемые в данной работе методы оптической обработки изображений путем анализа фотослоя ни в коем случае не противопоставляются методам фотоэлектрической обработки изображений, а дополняют эти методы. Иными словами, оптические методы должны улучшать картину до такой степени, чтобы ее фотоэлектрическая обработка максимально упростилась.
Развитие и широкое применение автоматизированных сканирующих систем для интерферометрии, рентгеновской техники, тепловидения и других отраслей изменили представление о роли фотофафических материалов в физических экспериментах и измерениях.
6
Фотоматериалы принят рассматривать как оптическое запоминающее устройство, способное не только накапливать, но и преобразовывать анализируемую информацию, в частности, преобразовывать рентгеновский, ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны в видимый, для обработки которою создано значительно большее число матриц и оптических устройств.
Разрешающая способность по полю фотослоев до сих пор на порядок превосходит разрешающую способность фотоприемных матриц. Например, при использовании в качестве фоторегистратора фотослоев типа МИКРАТ на 1 мм2 помещается 0,09 МПк. а на стандартном кадре размером 24x36 мм - уже 77,7 МПк.
Кроме того, в случае необходимости размер снимка может быть увеличен до 300x400 мм, и тогда на нем будет записано 10800 МПк.
Диссертант}' неизвестны промышленно изготовляемые и доступные широкому кругу исследователей матрицы с аналогичными характеристиками.
В процессе выполнения данной работы автору пришлось ответить на следующие вопросы или конкретизировать их:
- всегда ли интерференционная картина может быть зарегистрирована в нелинейном режиме, и в каких случаях такая регистрация приводит к повышению точности и чувствительности измерений, а в каких - в лучшем случае бесполезна, а иногда даже вредна;
что следует понимать под термином «высококонтрастная интерференционная картина»;
- от каких параметров интерферометра и лазера зависит коэффициент повышения точности и чувствительности измерений;
- как известные критерии чувствительности измерений связаны между собой в различных интерференционных методах;
7
- каким образом можно теоретически определить чувствительность и точность интерференционных измерений при нелинейной фоторегистрации;
- в каких областях интерференционных измерений целесообразнее всего использовать нелинейную фоторегистрацию;
- в каких областях интерференционных измерений целесообразно использовать метод дифференцирования (оконтуривания)
интерференционных полос;
- фотоматериалы с какими характеристиками наиболее эффективны для применения метода дифференцирования интерференционных полос;
- в каких областях интерференционных и рентгеновских измерений наиболее эффективно использовать метод псевдоцветового кодирования измерений;
- какие характеристики псевдоцветной картины позволяют говорить о повышении чувствительности измерений по сравнению с исходной картиной.
Исходя из вышеперечисленного, были сформулированы цели настоящей работы.
Цель работы. Целью настоящей работы является:
- теоретическое и экспериментальное доказательство возможности повышения чувствительности интерференционных измерений путем обострения экстремумов полос за счет использования нелинейности характеристической кривой используемого при фоторегистрации фотоматериала;
- теоретическое и экспериментальное доказательство возможности повышения точности и чувствительности интерференционных измерений и повышения информативности рентгеновских изображений за счет
псевдоцветового кодирования интерференционной картины при их
освещении взаимно дополнительными цветами в прямом и рассеянном свете;
- теоретическое и экспериментальное доказательство возможности повышения точности и чувствительности интерференционных измерений за счет псевдоцветового кодирования интерференционной картины;
8
- разработка рекомендаций по регулированию чувствительности измерений путем выбора типа фотоматериала и режима его обработки; разработка методики проведения измерений повышенной чувствительности на стандартных двухлучевых интерферометрах и апробация разработанного метода при исследовании некоторых параметров оптических элементов;
- теоретическое обоснование превосходства абсорбционных
светофильтров перед интерференционными при использовании протяженных источников света.
Достижение поставленных целей сопровождалось решением следующих задач:
- уточнение терминов «чувствительность» и «точность» интерференционных измерений применительно ко всем высокоточным методам интерференционных измерений, а также их взаимосвязи с параметрами интерференционной картины;
- анализ взаимосвязи между параметрами интерференционной
картины, ее зарегистрированного образа - интерферограммы и характеристической кривой фотоматериала при нелинейном режиме фоторегистрации;
- анализ взаимосвязи между распределением интенсивности света в исходной интерференционной картине, ее интерферограмме и распределением интенсивности света при освещении интерферограммы монохроматическими наклонными пучками;
- теоретическое обоснование и экспериментальное исследование
факторов, влияющих на чувствительность измерений и анализ распределения интенсивности цвета и его колориметрического состава при освещении интерферограммы двумя или более дополнительными цветами;
разработка методики нелинейной фоторегистрации
интерференционных картин, включающей в себя выбор фотоматериала и определение наиболее целесообразных для данных условий режимов нелинейной регистрации;
9
- разработка методики анализа интерфсрограмм в диффузном освещении монохроматическим светом, включающей в себя выбор материала по зернистости фотослоя, величины вуали и определении оптимального угла освещения интерферограмм;
- разработка методики псевдоцветового кодирования интерферограмм при освещении их по нормали и наклонным пучками дополнительных цветов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1) теоретически и экспериментально обоснована возможность
повышения чувствительности интерференционных измерений путем
выделения экстремумов полос за счет нелинейного режима фоторегистрации;
2) теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена взаимосвязь чувствительности интерференционных измерений с распределением интенсивности в полосах регистрируемой интерференционной картины, параметрами характеристической кривой фотоматериала и положением рабочей точки относительно
характеристической кривой при нелинейном режиме фоторегистрации;
3) экспериментально подтверждена эффективность метода нелинейной фоторегистрации, обеспечивающего повышение чувствительности
измерений более чем на порядок, то есть уменьшение погрешности
измерений до величины Х/300;
4) теоретически и экспериментально обоснована возможность
повышения чувствительности интерференционных измерений путем
дифференцирования контуров полос;
5) теоретически и экспериментально обоснована возможность
повышения чувствительности интерференционных измерений путем
одновременного освещения интерферограммы двумя дополнительными цветами;
10
6) теоретически и экспериментально обоснована возможность повышения информативности многолучевых интерференционных картин за счет отфильтровывания составляющей нулевого порядка;
7) теоретически обосновано преимущество абсорбционных стеклянных светофильтров перед интерференционными при углах падения света на светофильтр более 10 градусов.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методики оптического анализа изображений и выработанные рекомендации по оптимальному применению методов позволяют повысить точность и чувствительность уже действующих, промышленно выпускаемых двух- и многолучевых интерферометров, рентгеновских аппаратов, фотометров, колориметров и микроколориметров без внесения значительных конструктивных изменений в оптические схемы приборов. Чувствительность серийно выпускаемых интерферометров может быть повышена примерно на порядок.
Разработанные методики позволяют контролировать форму зеркал лазерных резонаторов и трактов передачи излучения под нагрузкой. Методика псевдоцветового кодирования изображений позволяет повысить информативность снимков, полученных на уже существующих аппаратах. Методика выбора оптимального числа проходов зондирующего излучения сквозь исследуемую среду позволяет повысить чувствительность уже существующих спектрофотометров, фотометров и колориметров.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1) критерий сравнительной чувствительности интерференционных измерений Б, определенный как предел отношения чувствительностей предлагаемых методов и базового метода, за который взята двухлучевая интерферометрия с видностью картины У=1 по всему полю интерференции;
11
2) способ повышения чувствительности интерференционных измерений путем выделения экстремумов полос на стадии фоторегистрации, основанный на использовании фотоматериалов с резко выраженной нелинейностью характеристической кривой;
3) аналитические зависимости, устанавливающие однозначную взаимосвязь между видностыо интерференционной картины, параметрами характеристической кривой фотоматериала и сравнительной чувствительностью измерений;
4) способ повышения чувствительности интерференционных измерений путем дифференцирования интерференционных полос и их псевдоцветового кодирования;
5) способ повышения информативности черно-белых изображений путем их псевдоцветового кодирования;
6) способ инвертирования многолучевой интерференционной картины за счет отфильтровывания нулевого порядка.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 40 работ. Из них 18 работ опубликовано в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ для соискателей ученой степени доктора наук, в том числе 9 изобретений, заявок на изобретения и патентов РФ. кроме того, 3 статьи опубликованы в США.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре «Физические методы исследования прозрачных неоднородностей» в 1983-1984 гг. в Москве; на конференциях-конкурсах НИР Подольского научно-исследовательского и технологического института в 1985-1987 гг.; на конференции-конкурсе Объединенной Экспедиции в Семипалатинске в 1985 г.; на 50 и 51 научно-технических конференциях преподавателей СГГА в 2000-2001 гг.; на международном научном конгрессе «Гео-Сибирь 2006» и «Гео-Сибирь 2007».
12
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Она изложена на 179 страницах, содержит 34 рисунка, 2 таблицы, 2 приложения. Список использованных источников состоит из 88 наименований.
В работе рассмотрены известные методы повышения точности и чувствительности интерференционных измерений и методы псевдоцветового кодирования изображений; выполнен анализ работоспособности этих методов в условиях реального физического эксперимента; уточнен класс объектов, которые могут быть исследованы при помощи известных методов; рассмотрена возможность применения этих методов на стандартном оборудовании с минимальными переделками, а также конкретизируются понятия точности, погрешности и чувствительности интерференционных измерений, что связано с неопределенностью и противоречивостью названных определений в научно-технической литературе.
В работе также рассмотрены теоретические основы разработанных методов повышения чувствительности измерений, основанные на нелинейных методах обработки изображений; рассмотрены методы повышения чувствительности интерференционных измерений при настройке на полосы конечной и бесконечной ширины. Если при фоторегистрации высококонтрастной интерференционной картины увеличить величину экспозиции, то распределение плотности пропускания, или почернения фотоматериала, приобретет резко несинусоидальную, пикообразную форму, напоминающую распределение интенсивностей в полосах многолучевых интерференционных картин, которые позволяют производить измерения с большими чувствительностью и точностью.
В принципе регистрировать интерференционную картину в нелинейном режиме может любой фотоприемник, гак как, начиная с некоторого порогового уровня сигнала, у всех фотоприемников наступает насыщение.
13
В теоретической части работы рассмотрена возможность
фоторегистрации в нелинейном режиме на некотором обобщенном
фотоматериале, зависимость почернения которого нелинейная.
В экспериментальной части работы упор был сделан на стандартные фотоматериалы, к очевидным преимуществам которых следует отнести их общедоступность, дешевизну, относительно высокую светочувствительность, очень широкий спектральный диапазон, высокую разрешающую
способность, возможность хранения информации практически неограниченное время, а также стабильность и изученность свойств.
Для выявления взаимосвязи чувствительности измерений с режимом фоторсгистрации выбрана экспоненциальная зависимость,
аппроксимирующая реальную характеристическую кривую. Теоретический анализ позволил сделать вывод о том, что чувствительность измерений определяется не только видностыо регистрируемой картины, но и выбором режима регистрации и проявления фотослоя, а также участком интерференционного контура, на который был предварительно настроен интерферометр.
В связи с тем, что в реальных приборах невозможно обеспечить постоянство средней освещенности и видности картины по всему полю интерференции рассмотрено влияние этих неравномерностей на неравномерность чувствительности.
14
1 Краткий аналитический обзор современного состояния методики оптической обработки изображений
1.1 Определение понятий точности и чувствительности интерференционных измерений
Для анализа точностных параметров интерференционных измерений воспользуемся обобщенной блок-схемой исследования фазовой неоднородности (рисунок 1).
Основным источником случайных погрешностей являются потоки в среде между интерферометром и исследуемым объектом. Исключением является только тот случай, когда исследуются сами потоки. Случайные погрешности можно значительно уменьшить терм остатирован нем интерферометра и окружающего пространства и свести к нулю помещением интерферометра в вакуум.
Оптическая система интерферометра вносит систематические погрешности измерений, обусловленные аберрациями и погрешностями изготовления элементов. В случае относительных измерений, например, исследовании деформаций твердых тел, эти погрешности исключаются.
Таким образом, во многих случаях погрешность измерений, в конечном счете, определяется погрешностью самого интерференционного устройства, в состав которого входит интерференционный преобразователь, часто называемый интерферометром, и устройство для анализа интерференционных картин, или - анализатор. Исторически сложилось так, что анализатором является глаз человека.
Такое разбиение интерференционного устройства на два самостоятельных блока целесообразно при анализе и синтезе свойств этих блоков, так как подход к чисто оптическим и чисто электронным блокам неодинаков.
15
- Київ+380960830922