ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗНО РАССЕИВАЮЩИХ ПЛОСКИХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ СТРУКТУРИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А.М. Вин (http://orcid.org/0000-0002-8265-204X), И.Н. Павлов (http://orcid.org/0000-0002-9014-6294), Б.С. Ринкевичюс (http://orcid.org/0000-0001-7336-1315)
Кафедра физики им. В.А. Фабриканта Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия
Содержание
2. Оптическая система комплекса
3. Экспериментальная установка
4. Методика регистрации дифракционных картин
Аннотация
Предложен и разработан новый оптико-электронный метод количественной визуализации параметров плоских объектов с помощью структурированного оптического излучения (СОИ), получаемого от источников когерентного излучения с помощью различных дифракционных оптических элементов (ДОЭ). В данной статье используется СОИ в виде упорядоченной сетки точечных источников излучения с заданными расстояниями между ними. Исследуемый плоский объект закрепляется на экране и освещается СОИ. Получаемое изображение фотографируется цифровым фотоаппаратом и далее воспроизводится на экране компьютера.
Приведено подробное описание элементов измерительного комплекса, который состоит из источника непрерывного когерентного излучения с длиной волны 0,552 мкм, ДОЭ, позволяющего получить с помощью объектива с большой апертурой СОИ в виде квадратной матрицы тонких пучков излучения с известными расстояниями между ними 3,4 мм на расстоянии 750 мм до экрана.
Также приведено подробное описание методики визуализации и обработки плоских картин визуализации. Данный метод получения фотографического изображения плоского предмета отличается от стандартного фотографирования тем, что наряду с получением изображения объекта регистрируется информация о параметрах точечных источников излучения в составе СОИ, которая в дальнейшем используется для определения геометрических параметров исследуемого объекта. Приведены примеры определения геометрических параметров различных плоских объектов: прямоугольника, треугольника и др. при их различных положениях на экране.
Данный метод бесконтактного определения параметров плоских объектов может найти широкое применение в различных областях современной техники. Например, при создании автоматизированной системы бесконтактной классификации объектов по заданным параметрам.
Ключевые слова: структурированное излучение, дифракционный оптический элемент, диффузно рассеивающая поверхность, фотографирование, компьютерная обработка.
1. Введение
Для качественной и количественной визуализации и определения параметров диффузно рассеивающих плоских тел на практике широко используются оптические методы: прямого фотографирования, голографические, интерференционные и ряд других [1-3]. Каждый из этих методов обладает своими особенностями и областью применения.
Методы прямого фотографирования наиболее просты и широко распространены, однако требуют дополнительной калибровки для получения численных значений геометрических параметров, фотографируемых объектов, голографические методы позволяют получить трехмерную визуализацию, однако сложны в реализации, интерференционные методы обладают недостаточной разрешающей способностью [4].
В данной работе для визуализации геометрических параметров диффузно рассеивающих плоских тел предлагается использовать СОИ, получаемое с помощью ДОЭ, выпуск которых промышленностью уже достаточно освоен. Структурированное оптическое излучение в настоящее время широко используется в методе исследования оптически неоднородных жидких сред, называемом лазерной рефрактографией [3].
Авторами разработан оптико-электронный комплекс для визуализации геометрических параметров диффузно рассеивающих плоских тел с помощью структурированного оптического излучения (рис.1). Комплекс состоит из когерентного источника оптического излучения 1, ДОЭ 2, объектива 3, цифровой фотокамеры 4, экрана 5 и компьютерной программы обработки оптических изображений. Комплекс предназначен для определения параметров диффузно рассеивающих плоских тел: местоположения, формы и структуры.
2. Оптическая система комплекса
1. Источник оптического излучения – монохроматический, работающий на длине волны 0,552 мкм, мощность излучения - 20 мВт, исходный диаметр пучка составляет 2 мм, установлен на неподвижном штативе.
2. Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) представляет собой круглую пластинку толщиной 1 мм, диаметром 5 мм, укрепленную на регулируемой по высоте стойке.
3. Оптическая система представляет собой многолинзовый объектив диаметром 200 мм и фокусным расстоянием 750 мм. Объектив установлен на штативе, регулируемом по высоте, расстоянию и местоположению.
4. Экран представляет собой пластиковую пластину, окрашенную в белый цвет.
5. Регистрация изображений предметов на экране осуществляется цифровым фотоаппаратом.
Под термином «оптико-электронные методы исследования» понимаются методы, в основе которых лежит фотоэлектронное преобразование с последующим измерением параметров электрического сигнала, несущего информацию об оптических характеристиках исследуемого объекта. Тонкие пучки формируются с помощью ДОЭ и при распространении сохраняют свою заранее заданную поперечную структуру с высокой точностью. Использование различных ДОЭ позволяет гибко менять форму пучков при сохранении структурной устойчивости, что может обеспечить выделение дефектов поверхности с заранее заданными характеристиками.
Дифракционные оптические элементы широко используются в лазерной рефрактографии – современной измерительной технологии, предназначенной для визуальной и количественной диагностики процессов в объеме и пограничных слоях жидкостей [3]. Данный метод основан на зондировании исследуемой среды структурированным оптическим излучением (СОИ), регистрации прошедшего среду излучения с помощью цифрового фотоаппарата и компьютерной обработке изображений. Формирование СОИ позволяет сохранить его высокую когерентность и обеспечить малую расходимость пучков. Это дает возможность использовать для описания СОИ представления геометрической оптики.
Компьютерное моделирование прочно заняло свое место в фундаментальных и прикладных науках, в частности, в исследовании механики и физики процессов контактирования реальных технических поверхностей, трения и изнашивания, электрических контактов, контактного теплообмена. В настоящее время доминируют численные методы и математические модели, реализуемые с помощью компьютерных технологий. Однако возможности этих методов ограничены теоретическими предположениями о параметрах среды, которые лишь частично совпадают с реальными.
3. Экспериментальная установка
Схема установки для визуализации свойств твердой поверхности показана на рис. 1. Излучение от оптического модуля 1, состоящего из источника когерентного излучения 1 и ДОЭ 2, проходит через объектив 3 и освещает экран 4 с закрепленным на нем плоским объектом. Изображение регистрируется с помощью цифрового фотоаппарата 5.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – источник оптического излучения, 2 – дифракционный оптический элемент, 3 – объектив, 4 – экран с закрепленным на нем объектом, 5 – цифровой фотоаппарат
На рис. 2. показаны примеры трех картин визуализации.
|
|
|
|
|
(а) |
(б) |
(в) |
Рис. 2. Регистрация дифракционных картин на экране: (а) – освещенный экран, (б) – изображение прямоугольника, (в) – увеличенный элемент прямоугольника, N – расстояние между элементами СОИ.
4. Методика регистрации дифракционных картин
Источник оптического излучения создает узкий поляризованный пучок, который направляется на ДОЭ. При юстировке он вращается вокруг оптической оси для получения максимальной резкости дифракционной картины. После ДОЭ получается много дифрагированных узких пучков, которые направляются на коллимирующий объектив 3, создающий матрицу параллельных пучков, распространяющихся вдоль оптической оси. На экране 4 получается изображение дифракционной картины, которое регистрируется с помощью цифрового фотоаппарата 5.
На экране размещаются плоские фигуры, параметры которых необходимо определить. На рисунках 3-5 показаны изображения трех различных плоских фигур: прямоугольника, треугольника и эллипса при различных углах их поворота. Центр изучаемых фигур совпадает с центром экрана, x, y - расстояния от краёв экрана до фигуры, a,b,c,d – параметры, характеризующие размеры фигур и их положения на экране. Геометрические расстояния определяются по формуле: X = x∙N, где масштабный параметр N = 3,4 мм.
|
|
|
|
|
(А) |
(Б) |
(В) |
Рис. 3. Изображения квадратной фигуры при различных углах поворота
|
|
|
|
|
|
(А) |
(Б) |
(В) |
|
Рис. 4. Изображения треугольной фигуры при различных углах поворота
|
|
|
|
|
(А) |
(Б) |
(В) |
Рис. 5. Изображения эллипса при различных углах поворота
В таблицах 1-3 приведены результаты измерения параметров положения фигур: квадрата, треугольника и эллипса.
Таблица 1. Параметры квадрата при различных углах поворота
|
Квадрат № |
a |
b |
c |
d |
||||
|
x |
y |
x |
y |
x |
y |
x |
y |
|
|
1 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
|
2 |
15 |
3 |
3 |
12 |
14 |
4 |
4 |
5 |
|
3 |
24 |
1 |
1 |
24 |
22 |
2 |
1 |
23 |
Таблица 2. Параметры треугольника при различных углах поворота
|
Треугольник № |
a |
b |
c |
|||
|
x |
y |
x |
y |
x |
y |
|
|
1 |
24 |
7 |
9 |
16 |
9 |
16 |
|
2 |
34 |
9 |
17 |
9 |
7 |
24 |
|
3 |
39 |
13 |
20 |
6 |
8 |
31 |
Таблица 3. Параметры эллипсоида при различных углах поворота
|
Эллипс № |
a |
b |
c |
d |
||||
|
x |
y |
x |
y |
x |
y |
x |
y |
|
|
1 |
25 |
8 |
14 |
25 |
25 |
8 |
14 |
25 |
|
2 |
31 |
9 |
15 |
28 |
31 |
9 |
15 |
28 |
|
3 |
35 |
10 |
16 |
33 |
35 |
10 |
16 |
33 |
5. Заключение
Разработан новый метод и создана экспериментальная установка, содержащая источник оптического излучения, дифракционный элемент для получения структурированного излучения, экран, цифровую фотокамеру. Приведены результаты экспериментов по измерению параметров ряда плоских фигур при помощи структурированного оптического излучения, получаемого с помощью дифракционных оптических элементов.
Список литературы
1. Блейкер А. Применение фотографии в науке. М.: Мир, 1980. 248 с.
2. Сойфер В.А., Безус Е.А., Быков Д.А., Досколович Л.Л., Ковалев А.А. и др. Дифракционная оптика и нанофотоника. Физматлит. 2014. 608 с.
3. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. М: Физматлит, 2008. 176 с.
4. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 328 с.
5. Вин А.М., Карпов А.В., Ринкевичюс Б.С. Оптический метод визуализации и измерения смещения трёхмерных объектов. Оптические методы исследования потоков: Труды XIII Международной научно–технической конференции. [Электронный ресурс] М. Издательство Перо, 2015. с. 1 CD-ROM.
VISUALIZATION OF GEOMETRIC PARAMETERS OF DIFFUSELY SCATTERING PLANE BODIES BY MEANS OF STRUCTURED OPTICAL RADIATION
A.M. Win (http://orcid.org/0000-0002-8265-204X), I.N. Pavlov (http://orcid.org/0000-0002-9014-6294), B.S. Rinkevichyus (http://orcid.org/0000-0001-7336-1315)
The V.A. Fabrikant Physics Department National Research University “MPEI”, Moscow, Russian Federation
Abstract
New optoelectronic method for quantitative visualization of planar objects parameters using structured optical illumination (SOI) obtained by sources of coherent radiation and various diffractive optical elements (DOE) is proposed and developed. SOI is used in the form of an ordered grid of point radiation sources with given distances between them in this paper. Investigated flat object is fixed on the screen and illuminated by SOI. The resulting image is registered by a digital camera and then played back on the computer screen.
Detailed description of the measuring complex elements is presented, it consists of source of continuous coherent radiation with a wavelength of 0.552 μm, DOE, which allows to obtain using a lens with a large aperture SOI in the form of the square matrix of thin radiation beams with known distances between them of 3.4 mm at the distance of 750 mm up to the screen.
Also, detailed description of the technique for visualization
and processing of flat visualization images is given. This method of
obtaining a photographic image of the flat object differs from the standard
photographing. Along with obtaining an image of an object, information about
the parameters of point sources in the SOI is recorded, it is subsequently used
to determine the geometric parameters of the object under study. Examples
of determining the geometric parameters of various planar objects: a rectangle,
a triangle, etc. at their different positions on the screen are given.
This method of contactless determination of the parameters of flat objects can
find wide application in various areas of modern technology. For example,
in case of creation an automated system for contactless classification of
objects by specified parameters.
Keywords: structured radiation, diffractive optical element, diffusely scattering surface, photography, computer image processing.
REFERENCES
1. Blejker A. Primenenie fotografii v nauke [Photography in science]. Mir, 1980. 248 p.
2. Sojfer V.A., Bezus E.A., Bykov D.A., Doskolovich L.L., Kovalev A.A. et al. Difrakcionnaja optika i nanofotonika [Diffraction optics and nanophotonics]. Fizmatlit. 2014. 608 p.
3. Evtihieva O.A., Raskovskaja I.L., Rinkevichjus B.S. Lazernaja refraktografija [Laser refractography]. Fizmatlit, 2008. 176 p.
4. Jones R., Wykes C. Holographic and Speckle Interferometry. Cambridge University Press, 1983.
5. Vin A.M., Karpov A.V., Rinkevichjus B.S. Opticheskij metod vizualizacii i izmerenija smeshhenija trjohmernyh ob#ektov [Optical method of visualization and measurement of displacement of three-dimensional objects]. Optical methods of flux research: Proceedings of the XIII International Scientific and Technical Conference. Pero publishing house, 2015. with 1 CD-ROM.