optika

Оптичні прилади

optik — Tue, 19 Mar 2019 14:45:24 GMT

Автори відеоролику - студенти групи ОПІ-31 (Морозов Вова, Рябенко Денис та Присяжнюк Ілля)

Теплобачення

optik — Sun, 08 Feb 2015 11:43:42 GMT

Оптичні системи. Аберації та оцінка якості зображення

optik — Sun, 07 Sep 2014 09:10:55 GMT

Аберації оптичної системи. Оцінка якості зображення

Аберації оптичних систем поділяються на монохроматичні та хроматичні.

Монохроматичними абераціями називають такі спотворення зображення, які виникають при проходженні променів чітко визначеної довжини хвилі. До них належать: сферична аберація, кома, астигматизм, кривизна поверхні зображення та дисторсія.

Суть хроматичних аберацій полягає в тому, що при проходженні крізь заломлюючі поверхні пучка променів білого світла він розкладається на спектральні складові через дисперсію в оптичних середовищах системи. У результаті такого розкладання зображення буде являти собою суму великої кількості монохроматичних зображень, які не співпадають ані за розташуванням, ані за розмірами, внаслідок чого зображення стає зафарбованим. Це явище називається хроматизм. Існує хроматизм положення та хроматизм збільшення.

Сферична аберація. У результаті сферичної аберації циліндричний пучок променів після заломлення лінзою (у просторі зображень) отримує вигляд не конуса, а деякої воронкоподібній фігури, зовнішня поверхня якої, поблизу вузького місця, називається каустичною поверхнею. Це зумовлено тим, що промені, які проходять крізь лінзу поблизу оптичної осі фокусуються у площині, яка розташована далі від лінзи, промені, які проходять крізь крайові зони лінзи фокусуються у площині, розташованої ближче до лінзи, тобто виходить, що краї лінзи мають меншу фокусну відстань ніж центр. При цьому зображення точки у фокусі має вигляд диска з неоднорідним розподілом освітленості, а форма каустичної кривої дозволяє судити про характер розподілу освітленості.

Площина, де кружок розсіювання має мінімальний розмір називається площиною найкращого встановлення.

Кома – це аберація, яка з’являється на периферії зображення, точка зображується у вигляді комети (тобто з розмитим хвостом). Об’єктиви в яких кома скорегована називаються апланатами.

Астигматизм. Це спотворення зображення по осям.

Промені в меридіональній та сагітальній площині по різному розташовані, тому ці дві групи променів не з’єднуються в одній точці, тобто це перекручування зображення оптичною системою, пов'язане з тим, що заломлення (або відбиття) променів у різних частинах системи неоднакове. Внаслідок астигматизму зображення предмета стає нерізким. Кожна точка предмета зображується розмитим еліпсом. Об’єктиви, в яких астигматизм виправлений, називаються анастигматами.

Кривизна поверхні зображення.

При такій аберації площина зображення стає зігнутою таким чином, що якщо центр зображення в фокусі, то краї зображення не в фокусі і навпаки.

Якщо кривизна поверхні зображення виправлена, то об’єктив називається план-об’єктивом.

Дисторсія. Цей вид аберації проявляється в спотворенні прямих ліній. Якщо прямі лінії ввігнуті, то дисторсію називають подушкоподібною, якщо опуклі – бочкоподібною.

Якість зображення визначається ступенем абераційної корекції оптичної системи, точністю виготовлення, зборки та юстування окремих елементів та приладу в цілому.

Важливим критерієм кількісної оцінки якості зображення є роздільна здатність, якою визначається кількість ліній або предметних точок, які може роздільно зобразити оптична система на відрізку довжиною 1 мм (наприклад для фотооб’єктивів). Роздільна здатність також може бути оцінена в кутовій мірі, яка визначає мінімальний розмір предмета, що зображується (наприклад, для об’єктивів зорових труб).

Оскільки роздільна здатність не дає повну картину в оцінці якості зображення, то були введені й інші об’єктивні критерії.

Число Штреля – оцінює співвідношення освітленостей в центрах кружків розсіювання реальної та ідеальної оптичної систем.

Критерій Релея – визначає практично ідеальне зображення при виконанні умови, де хвильова аберація в довжинах хвиль .

Погранична крива – крива розподілу освітленості в зображенні границі між темним та світлим полем об’єкта абсолютного контрасту. Нахил пограничної кривої залежить від розмірів плями розсіювання.

Найбільш повне уявлення про якість зображення можна отримати, якщо оптичну систему розглядати як фільтр просторових частот. Для оцінки в цьому випадку використовується амплітудно-частотна частина оптичної передаточної функції, яку називають функцією передачі модуляції або частотно-контрастною характеристикою.

Частотно-контрастна характеристика показує як змінюється амплітуда коливань освітленості в зображенні порівняно з амплітудою коливань яскравості на предметі.

Фрактальне кодування зображень

optik — Mon, 04 Aug 2014 14:45:04 GMT

Фрактальний метод кодування теплових медичних зображень

Фрактал - це деякий набір елементів, який залишається одним і тим же незалежно від масштабу, тобто важливою характеристикою фрактальних об’єктів є самоподібність. У відповідності до фрактальних методів кодування термограму можна визначити як фрактальну гратку, яка складається з рангових та доменних блоків зображення й утворює квадродерево.

Квадродерево утворюється таким чином:

- спочатку здійснюється "грубе" розбиття, тобто вся термограма розбивається на чотири квадрата (рангові блоки);

- для кожного рангового блока програма аналізує, який домен найкраще відповідає відображенню певного фрагмента теплового зображення (тобто який фрагмент найкраще покриває ранговий блок). При цьому контрастність та яскравість обчислюються методом найменших квадратів, що забезпечує максимальну відповідність;

- для того, щоб забезпечити максимальне стискання зображення, ті рангові блоки, які мають розмір більший, ніж найбільший з доменів, розбиваються на менші рангові блоки;

- якщо покриття знаходиться в межах допустимої похибки, то вважається, що цей ранговий блок вже покритий, і програма переходить до наступного блоку. У випадку, коли відхилення перевищує припустиму похибку, то програма перевіряє, чи була досягнута максимальна глибина квадродерева;

- якщо максимальна глибина квадродерева не була досягнута, то програма розбиває блок на чотири менших рангових блока та продовжує пошук оптимальних доменів, тобто процес перетворень для нових рангових блоків починається спочатку;

- процес закінчується, коли всі рангові блоки будут покриті в межах допустимої похибки.

Варто відзначити, що зменшення величини допустимої похибки призводить до збільшення кількості рангових блоків, так само як і збільшення глибини квадродерева є причиною збільшення кількості рангових блоків. Велика кількість рангових блоків призводить до зменшення ступеню стиснення термограми, але якість декодованого зображення буде краща.

Нижче наведено медичну термограму (рис.1) та квадродерева побудовані для цього теплового зображення з різною допустимою похибкою та глибиною квадродерева.

Рисунок 1 Рисунок 2

Рисунок 3 Рисунок 4

Рисунок 2 - глибина квадродерева 6, допустима похибка 0,05

Рисунок 3 - глибина квадродерева 7, допустима похибка 0,05

Рисунок 4 - глибина квадродерева 6, допустима похибка 0,025

У процесі фрактального кодування не використовується інформація про лінійні розміри фрагмента термограми, що кодується, натомість при декодуванні в зображення більшого розміру додаються деталі, які однак, не суперечать контексту зображення, візуалізованого тепловізійною оптоелектронною системою.

Література:

1. Уэлстид С. Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии: Учебное пособие. - М.: Изд-во Триумф, 2003. - 320 с.

Вейвлет-обробка зображень

optik — Mon, 28 Jul 2014 10:59:28 GMT

Вейвлет технології у застосуванні до обробки теплових зображень

Нині загальновизнаним підходом до аналізу широкосмугових сигналів f(t) (теплове зображення - це двомірний широкосмуговий сигнал) є їхнє представлення у вигляді суми базисних функцій , помножених на коефіцієнти , які містять інформацію про конкретний сигнал (обробка зображення здійснюється шляхом послідовного проходження по вертикалі та горизонталі, тому загальна формула записана відносно однієї змінної), тобто:

Оскільки теплове зображення є набором елементів різного розміру, розташування та орієнтації, то базис вейвлет-перетворення, який передбачає різні масштабні версії, зсуви та форми імпульсів, краще узгоджується з природою такого двомірного сигналу, ніж періодичні функції. Нижче наведено графічне зображення деяких типів вейвлетів.

haar - вейвлет Хаара

dmey - вейвлет Мейєра

db4 - вейвлет Добеші 4-го порядку

sym4 - симлет 4-го порядку

coif2 та coif5 - коіфлети 2-го та 5-го порядку відповідно

bior2.4 - біортогональний вейвлет

rbio5.6 - обернений біортогональний вейвлет

Вейвлет Хаара, вейвлет Мейєра, вейвлети Добеші, симлети та коіфлети - це ортогональні вейвлети.

Практично всі вейвлети не можуть бути представлені аналітично у вигляді однієї формули, а задаються ітераційними виразами за допомогою базисних функцій, які визначають їхній вигляд та властивості. Вейвлети характеризуються часовим (визначається psi функцією часу - ) та частотним (задається Фур’є-образом функції ) образами. Якщо вейвлет у просторі звужується, то спектр вейвлета буде зміщуватись у область більш високих частот та розширюватись.

Використовуючи вейвлет-перетворення, теплове зображення можна подати у вигляді сукупності хвильових пакетів, утворених на основі деякої базисної функції . Рівень декомпозиції теплового зображення визначається числом вейвлетів, що використовуються при розкладанні двомірного сигналу. При збільшенні рівня декомпозиції точність реконструйованого теплового зображення погіршується, але при цьому зменшується об’єм інформації (це припустимо, бо зображенням, як правило, притаманна надлишковість), що і є вейвлет-фільтрацією, покладеною в основу очищення сигналів від шумів, а також вейвлет-стиснення теплових зображень.

Взагалі вейвлет-перетворення можна визначити як дерево високочастотних та низькочастотних фільтрів. На рис.1 подано схему послідовності проходження по вертикалі та горизонталі крізь високочастотний (H) та низькочастотний (L) фільтри для трьох рівнів декомпозиції зображення, де (LH_x) означає вертикальне високочастотне фільтрування з наступним горизонтальним низькочастотним фільтруванням (HL_x - навпаки), x - рівень декомпозиції.

Рисунок 1 - Схема двомірного вейвлет-перетворення

На рис.2 наведено теплове медичне зображення, а на рис.3 показано результат вейвлет-перетворення цієї медичної термограми. Візуалізацію даного результату здійснено в середовищі прикладних програм шляхом прирівнювання найменших (за величиною) 50% отриманих вейвлет-коефіцієнтів до нуля та забарвлення чорним кольором тих пікселів, які відповідають ненульовим коефіцієнтам, що залишилися. З рис.3 видно, що в блоках, які віддалені від лівого верхнього кута дерева вейвлет-перетворень, наявна значна кількість нульових коефіцієнтів. Це зумовлено тим, що в даному випадку фон, на якому знаходиться теплове медичне зображення людини, не містить детальної інформації.

Рисунок 2 - Теплове медичне зображення Рисунок 3 - Результат двомірного вейвлет-

перетворення термограми, поданої на рис.2

Декодування теплового зображення здійснюється за допомогою оберненого вейвлет-перетворення, яке застосовується до прорідженого масиву вейвлет-коефіцієнтів.

Література:

1. Дьяконов В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб: Изд-во Питер, 2002. - 608 с.

2. Уэлстид С. Фракталы и вейвлеты для сжатия изображений в действии: Учебное пособие. - М.: Изд-во Триумф, 2003. - 320 с.

Медична термографія

optik — Sat, 31 May 2014 18:39:26 GMT

Дослідження можливостей дистанційної медичної термографії

Термографія - це метод функціональної діагностики, основою якого є дистанційна реєстрація власного інфрачервоного випромінювання людського тіла. Внаслідок цього дослідження нешкідливе для пацієнта, оскільки організм людини не піддається ні опроміненню, ні пошкодженню. Можливість виявлення захворювання за допомогою термограм базується на тому, що різні патологічні стани впливають як на розподіл, так і на інтенсивність теплового (інфрачервоного) випромінювання.

Для оптимального вибору параметрів тепловізійного пристрою, який використовується для дистанційного зняття термограм, необхідно враховувати особливості роботи системи пристрій-оператор, зокрема можливість активного втручання оператора в інформаційний процес шляхом зміни характеристик зображення з метою покращення процесу сприйняття термограм. Ефективне використання великої кількості інформації, наявної в теплових полях термограм, що досліджуються, можливе лише шляхом автоматизації обробки зображень.

Сучасний стан застосування теплобачення в медицині

На сьогодні головною метою наукових досліджень і розробок в області дистанційної медичної термографії є набір статистичних даних за ознаками відхилення тепловізійної картини від норми та вироблення на цій основі алгоритмів діагностики та контролю перебігу хвороби. Термографічна дистанційна діагностика найбільш ефективна при врахуванні результатів, отриманих іншими методами, зокрема: рентгеноскопією, лабораторними клінічними дослідженнями, ультразвуковою діагностикою, томографією.

Розвиток методу тепловізійних досліджень йде шляхом вдосконалення апаратури для теплобачення, вивчення механізмів утворення та розповсюдження тепла в пухлинах і здорових тканинах та впливу цих механізмів на формування нормального і патологічного термографічного зображення, а також застосування фармакологічних препаратів, які зумовлюють теплові ефекти. Теплобачення використовується в онкології для виявлення та диференціальної діагностики пухлин молочних залоз, захворювань щитовидної залози, меланобластоми шкіри тощо.

Актуальність проблеми пов’язана з тим, що рак молочної залози став найбільш розповсюдженим онкологічним захворюванням жінок, а тому виникла потреба у створенні приладів, які б дозволили підвищити можливості діагностики на початкових стадіях.

Досить достовірну інформацію тепловізійний метод досліджень дає також при гострих запалювальних процесах (апендицит, панкреатит, гострий холецистит, абсцеси) та деяких судинних захворюваннях (діабетична ангіопатія, ураження вен та артерій). Теплобачення застосовується в травматології, акушерстві та гінекології, а також при визначенні границь опіків та обморожень.

Сучасний підхід до проектування і виробництва тепловізійних приладів базується на модульному принципі, який спирається на схемотехнічні рішення, що дозволяють розглядати прилад як ряд відносно самостійних вузлів та блоків, при цьому особливо важливу роль відіграє модуль цифрової обробки. Наприклад, розроблені на базі тепловізора «Радуга» комп’ютерні тепловізійні комплекси «ТИСА» мають значно розширені можливості. Для медичних досліджень також використовується тепловізійна система ТВ-04 на базі ЕОМ, яка має поле зору 15⁰х15⁰, габарити 100х170х220 мм та масу 2,5 кг.

Аналізуючи найбільш типові для теплобачення оптичні системи, слід зазначити, що наявна тенденція до більш широкого використання змінних елементів, асферичних поверхонь, покращення технології нанесення просвітлюючих покриттів, поліпшення оптичних характеристик матеріалів лінз, а також розробка дзеркальних та дзеркально-лінзових оптичних систем. При проектуванні тепловізорів неможливо розглядати оптичну систему окремо від системи сканування, оскільки обидві ці системи тісно пов’язані, тобто вибір другої значно впливає на роботу першої і навпаки. Скануючі системи розділяються на два типи в залежності від того, як здійснюється сканування - у збіжних чи паралельних променях. Оскільки в медичних тепловізійних приладах мінімальні габарити є однією з визначальних вимог, то сканування слід здійснювати у збіжних променях.

Модуль приймача випромінювання складається, як правило, з власне фотоприймача та пристрою охолодження. Хоча на сьогодні є тенденція до використання болометричних неохолоджуваних матриць, все ж найбільш перспективними з точки зору досягнення максимальних параметрів чутливості, роздільної здатності і т.п. залишаються фотоприймачі на базі вузькощілинних напівпровідників CdHgTe та InSb. Наприклад, у тепловізорі AGA-780 використаний приймач випромінювання на базі CdHgTe, а в тепловізорі «Радуга-МТ» - фотоприймач на базі InSb.

На основі вищенаведеного огляду сучасного стану застосування теплобачення в медицині можна зробити висновок, що у теперішній час найбільш актуальним є поліпшення конструктивних якостей приладів для дистанційної медичної термографії, а також пошук нових методів аналізу та обробки теплових зображень.

Можливості розробленого приладу та аналіз отриманих термограм

На базі Київської міської онколікарні були проведені клінічні випробування тепловізійного пристрою, розробленого в Інституті фізики напівпровідників НАН України (м. Київ) спільно з Фізико-технічним інститутом низьких температур НАН України (м. Харків). Отримані термограми розшифровувалися в єдиному зв’язку з клінічними, лабораторними та анамнестичними даними.

Термографічні дослідження, наприклад, виявилися інформативними при проведенні робіт в реанімації при діагностиці стану післяопераційних швів. Якщо післяопераційний період проходив без ускладень, то на термограмах було видно, що післяопераційні шви холодніші, ніж прилегла до них шкіра, а поверхнева температура в області, де була проведена операція - в межах норми, тобто близько 36⁰С. Якщо ж шов був інфікований, тобто мав місце запалювальний процес, то на термограмах такі ділянки мали температуру значно вищу за норму. При деяких інших ускладеннях також спостерігався аномальний температурний розподіл, при цьому отримані експериментальні дані майже повністю відповідали теоретичним, наведеним у літературі. На рисунку 1 представлено термограму живота хворого, у якого післяопераційний період проходив без ускладнень. Лівій стороні малюнка відповідає низ живота. Більш високі температури показані на термограмі світлими градаціями сірого кольору. На рисунку 2 наведено розподіл температури вздовж післяопераційного шва у напрямку зліва направо. Як видно з малюнків, максимальна температура відповідає ділянці в області пупка, що є фізіологічною нормою. Температурний мінімум спостерігається у місці виведення дренажної трубки.

Конструктивно тепловізор виконаний у вигляді двох окремих блоків:

відеомодуля, який забезпечує прийом сигналу від досліджуваного об’єкта (людини) та перетворення прийнятого випромінювання у відповідний електричний сигнал;
пристрою керування та обробки на базі ПК «Notebook».

Оскільки людське тіло максимально випромінює на довжині хвилі 10 мкм, то в даному тепловізорі використано спеціально розроблений на основі вузькощілинних напівпровідників CdHgTe фотоприймач з максимумом спектральної чутливості також на довжині хвилі 10 мкм з виявлюваною здатністю і часом життя збуджених носіїв заряду .

Розроблений прилад має такі технічні характеристики: поле зору - 23⁰х23⁰, температурне розділення - 0,2 ⁰С, спектральний діапазон - 8¸14 мкм, відстань до об’єкта - 0,5¸1000 м, зохолоджувальний робочий об’єм кріостата - 120 мл, час роботи без дозаливки азоту - 8 годин, габарити відеомодуля - 200х160х115 мм, вага відеомодуля - 2,5 кг. Програмне забезпечення дозволяє окрім візуалізації термограм та можливості визначення абсолютної температури в будь-якій точці, виконувати ще й побудову термопрофілю в будь-якій позиції із можливістю суміщення до 10 термопрофілів на одному графіку та автоматично визначати максимальну, середню та мінімальну температури всієї термограми або виділеного фрагменту.

Запропонований тепловізор дає можливість аналізувати отримані термограми у різних кольорових палітрах, а також застосовувати різні фільтри з метою покращення якості зображення. Зокрема, при аналізі термограм молочних залоз доцільно використовувати медіанний фільтр, завдяки чому область локалізації пухлини стає на тепловому зображенні чітко визначеною.

При проведенні робіт у реанімації найбільш інформативною виявилася палітра, де на термограмі білим, жовтим та червоним кольорами представлені більш високі температури, тобто гарячіші ділянки, а зеленим, синім, фіолетовим та чорним - нижчі температури, тобто холодніші ділянки.

Даний тепловізійний прилад можна досить ефективно використовувати для контролю перебігу післяопераційного періоду, а також як допоміжний засіб на етапі безконтактних неінвазійних методик дослідження для виявлення злоякісних новоутворень.

Висновки

Проведені дослідження підтвердили положення про те, що дистанційна медична термографія може мати широку область застосування у клінічній практиці, а також, що даний тепловізор має технічні характеристики, що задовольняють вимогам до приладів такого класу, і може бути успішно використаний в реанімації для раннього розпізнавання післяопераційних ускладнень.

Рекомендована література

1. Основы клинической дистанционной термодиагностики./ Под ред. Л.Г.Розенфельда. - К.: Здоровья, 1988.

2. Мирошников М.М., Алипов В.И., Гершанович М.А. и др. Тепловидение и его применение в медицине. - М.: Медицина, 1981.

3. Бугаенко А.Г., Иванов В.П., Морозов А.Е. Особенности работы системы тепловизионный прибор-оператор./ Оптический журнал. - 2001. - Т.68, №1. - с.55-59.

4. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России./ Оптический журнал. - 1992, №12. - с. 18-24.

5. Габуния Р.И., Ленская О.П., Богдасаров Ю.Б. и др. Значение термографии в комплексном обследовании онкологических больных./ Медицинская техника. - 1980, №4. - с.19-21.

6. Девятков Н.Д. Тепловидение - возможности и перспективы./ Медицинская техника. - 1980, №4. - с.10-13.

7. Состояние и стратегия развития маммологической службы в России. Н.И.Рожкова. - Медицинская визуализация. - 2002, №2. - с.79-84.

8. Мельникова В.П., Суханова В.Ф., Брюнелли Е.Б. О некоторых недостатках и прогрессивных путях развития тепловидения./ Оптический журнал. -1994. - №4.

9. Глазунов Ю.А., Колесов С.Н. Тепловизионная система ТВ-04./ Оптический журнал. - 1994. - №4.

10. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филипов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике./ Оптический журнал. - 1998. - Т.65, №6. - с.16-27.

11. Ллойд Дж. Системы тепловидения./ Пер. с англ. - М.: Мир, 1978.

12. Колобродов В.Г., Шустер Н. Тепловізійні системи (фізичні основи, методи проектування і контролю, застосування): Підручник. - К.; КПІ, 1999.

13. ОСТ 3-4408-91. Тепловизоры медицинские. Общие технические требования. Методы измерения основных параметров.

Типи інфрачервоних об'єктивів

optik — Sun, 18 May 2014 15:30:49 GMT

Інфрачервоні об'єктиви

Оптика об’єктивів буває трьох видів: лінзова, дзеркальна і дзеркально-лінзова. Дзеркальні інфрачервоні об’єктиви будуються на базі системи Ньютона, Кассегрена або Грегорі.

Затемнення вторинним дзеркалом мінімальне в системі Ньютона і максимальне в системі Грегорі.

Найбільш розповсюдженою в інфрачервоній апаратурі є система Кассергена, оскільки саме в цій системі відстань між первинним та вторинним дзеркалами мінімальна. Класична кассегренівська система складається з первинного параболічного та опуклого гіперболічного вторинного дзеркал. Сферична аберація відсутня, а гіперболоїд використовується для зменшеня аберації коми. Через труднощі виготовлення гіперболічного дзеркала часто застосовують модифікацію, в якій вторинне дзеркало сферичне, а первинне – асферичне. Кома у такій системі у чотири рази більша ніж у класичній кассегренівській системі.

У дзеркально-лінзовому інфрачервоному об’єктиві первинне дзеркало комбінують із тонкою корегуючою лінзою, отримуючи таким чином систему Шмідта. Оскільки асферичні поверхні корегуючої лінзи у системі Шмідта складні у виготовленні, то більш простим вирішенням є система Максутова, яка складається з первинного сферичного дзеркала та меніскового лінзового компенсатора із сферичними поверхнями. Додатковою перевагою системи Максутова є значно менша, ніж в системі Шмідта, довжина схеми.

Інфрачервоний об’єктив також може бути лінзовим. При використанні лінзової оптики слід оцінювати коефіцієнт пропускання оптики.

На вартість оптичної системи впливають різні фактори. Сферичні поверхні найбільш прості та дешеві у виготовленні. Максимально можливий діаметр лінзових систем суттєво менший ніж дзеркальних.

Лінзові системи значно менш чутливі до прогину, оскільки зміни кривизни двох поверхонь значно компенсують одне одного.

Оскільки матеріал дзеркал є лише підкладкою для відбиваючого шару, то особливих вимог до його однорідності та оптичних характеристик не висувається. Якщо система має працювати в широкому діапазоні температур, дзеркала, як правило, виготовляють із скла пірекс або плавленого кварцу, щоб зменшити деформації оптичних поверхонь при нагріванні. У випадку, коли із зміною температури змінюється показник заломлення матеріалу, якість зображення в лінзовій системі значно погіршується порівняно із дзеркальною.

Для лінз та вікон в теплобаченні, як правило, використовується три класи оптичних матеріалів:

напівпровідникові матеріали кремній та германій;
полікристалічні сполуки, отримані гарячим пресуванням, типу керамічних оптичних матеріалів «Іртран»;
отримані хімічним шляхом шари ZnSe та ZnS;
халькогенідне скло типу ТІ1173.

Найширше використовуються кремній та германій через те, що ці матеріали мають високий показник заломлення, велику механічну міцність та твердість.

Для просвітлюючих покриттів найчастіше застосовують такі матеріали:

кріоліт AlF₃-NaF (n=1,3);
фтористий магній MgF₂ (n=1,38);
окис кремнію SiO (n=1,6÷1,9);
окис церію CeO₂ (n=2,2);
сульфід цинку ZnS (n=2,2).

Найбільш простим просвітлюючим покриттям для германію є покриття, що складається з одного чвертьхвильового шару ZnS. Одношарове покриття має вузькі зони просвітлення. Розширення зон просвітлення пов’язано або з переходом до багатошарових просвітлюючих покриттів, або із застосуванням неоднорідних шарів із заданим профілем зміни показника заломлення.

Критерії оцінки якості теплового зображення

У реальних інфрачервоних об’єктивах зображення точки значною мірою залежить від наявності залишкових аберацій. За рахунок перерозподілу освітленості між центральним кружком Ейрі та кільцями, зображення двох сусідніх точок будуть менш контрастними, що погіршує якість зображення, але в деяких випадках зберігає роздільну здатність. Тому окрім роздільної здатності використовуються такі об’єктивні критерії як критерій Релея, число Штреля, погранична крива, частотно-контрастна характеристика.

Око як елемент вимірювального пристрою

optik — Mon, 05 May 2014 12:26:32 GMT

Око як елемент вимірювального пристрою. Метрологічні характеристики ока

При роботі ока спільно з вимірювальними приладами проявляються всі його основні властивості: акомодація, адаптація, роздільна здатність, контрастна чутливість тощо.

Акомодація – властивість ока розглядати предмети, які перебувають на різних відстанях. Акомодація залежить від віку [0 ÷ 10 діоптрій (20 років), 0 ÷ 2,5 діоптрій (60 років)].

Для "середнього" (нормального) ока величина акомодації приймається 0 ÷ 4 діотрій або від ∞ до 250мм. Відстань 250мм найбільш зручна для розглядання предмету без напруги і називається відстанню найкращого бачення.

Гострота акомодації - глибина чіткого зображення. Для нормального ока при величіні зіниці 2мм гострота акомодації складає ±0,3 діоптрії.

Адаптація – властивість ока пристосовуватись до різної яскравості (рівня освітленості). У залежності від яскравості об'єкта діаметр зіниці змінюється від 0,2 до 8мм. Темнова адаптація протікає порівняно повільно. Темновий поріг чутливості досягається через 40-60хв. після початку перебування в цілковитій темряві. Світлова адаптація проходить приблизно за 30 секунд. У зв’язку з цим неможна допускати роботу з оптичними приладами у режимі швидкої зміни рівня освітленості.

При вимірах необхідно прагнути досягти однакової освітленості відлікової шкали і зображення предмета. Оптимальна освітленість для вимірів складає 50 ÷ 250Лк.

Контрастна чутливість – здатність ока відчувати мінімальну різницю яскравості порівнювальних полів L1 та L2, розташованих поруч: . Контрастна чутливість залежить від яскравості, кольору, форми, інших характеристик полів зрівняння і складає 1-2 % при яскравості від 5 до 250кд/м².

Рисунок 1 - Контрастна чутливість ока

Роздільна здатність (гострота зору) – це найменший кут, під яким роздільно видно два близько розташованих предмета. Залежить від діаметра вхідної зіниці, освітленості предмета і його форми. Визначається розміром колбочок (5мкм) на сітківці ока.

При зменшенні або збільшенні діаметра зіниці ока від 2мм роздільна здатність зменшується. Якщо діаметр зіниці ока менше 1мм, то роздільна здатність зменшується через дифракцію світла, а більше 2мм - в результаті впливу сферичної і хроматичної аберації та розсіяння світла всередині ока.

Рисунок 2 - Роздільна здатність ока

Для нормального ока при освітленості 50 ÷ 250Лк і діаметрі зіниці 2 мм гострота зору складає 60".

Величина поля чіткого бачення нерухомого ока дорівнює 4° або 17мм у просторі предметів на відстані найкращого бачення (l₀ = 250 мм).

Оптичні системи. Правило знаків.

optik — Sat, 26 Apr 2014 13:14:31 GMT

Оптична система.

Кардинальні елементи та правило знаків

Кардинальні елементи оптичної системи – це фокуси, фокальні площини, головні точки, головні площини та фокусні відстані.

Задній фокус – це точка на оптичній осі в просторі зображень, спряжена з нескінчено віддаленою точкою, розташованою на оптичні осі в просторі предметів. Позначається F`.

Площина, яка проходить крізь задній фокус та перпендикулярна оптичній осі, називається задньої фокальною площиною оптичної системи.

Передній фокус - це точка на оптичній осі в просторі предметів, спряжена з нескінчено віддаленою точкою, розташованою на оптичні осі в просторі зображень. Позначається F.

Площина, яка проходить крізь передній фокус та перпендикулярна оптичній осі, називається передньою фокальною площиною оптичної системи.

Спряжені та перпендикулярні оптичні осі площини, в яких лінійне збільшення дорівнює 1 називаються передньою та задньою головними площинами, а точки їх перетину з оптичною віссю – передньою та задньою головними точками та позначаються Н та Н`.

Відстань від передньої головної точки до переднього фокуса називається передньою фокусною відстанню, а від задньої головної точки до заднього фокуса – задньою фокусною відстанню.

Правило знаків – це правила визначення знаків величин та напрямків, прийняті при розрахунку оптичних систем, а також при кресленні (та читанні) оптичних схем.

Для відліку різних відрізків та кутів в оптиці прийнято правило знаків, відповідно до якого за додатній напрямок вибраний напрямок розповсюдження світла зліва направо.

кут променя з оптичною віссю вважається додатнім, якщо промінь, що перетинає вісь, йде зверху вниз, й від’ємним, коли знизу вгору;
лінійні величини предмета та зображення, а також відрізки висот променів вважаються додатними, якщо вона розташовані на д віссю, і від’ємними, якщо під нею;
радіус кривизни поверхні є додатнім, коли її центр знаходиться справа від поверхні, і від’ємним – якщо зліва, тобто відлік здійснюється від поверхні до центра;
величини товщин між заломлюючими поверхнями при розповсюдженні світла зліва направо завжди вважаються додатними;
кути між променем та нормаллю до поверхні в точках падіння променя (кути падіння та заломлення) вважаються додатними, якщо нормаль, для того щоб вона співпала з напрямком променя, потрібно повернути за годинниковою стрілкою;
кут між нормаллю та оптичною віссю вважається додатнім, якщо оптична вісь для спів падіння з нормаллю повинна бути повернута за годинниковою стрілкою;
при відбитті від поверхні змінюється знак у показника заломлення, кута відбиття та величини відстані між відбиваючою поверхнею та наступною (тобто світло розповсюджується справа наліво);
фокусні відстані вважаються додатними за напрямком світла від головних площин;
при заломленні та відбитті променів на сферичній поверхні за початок відліку відрізка вважається вершина поверхні. Відрізки вважаються додатними, якщо вони відкладаються вздовж осі справа від вершини у напрямку розповсюдження світла.

Однойменні та спряжені точки, відрізки та кути в просторі предметів та просторі зображень позначаються однаковими літерами. Позначення, що відносяться до простору зображень, позначають знаком «штрих» вгорі кожної букви.

Література

Прикладная оптика: Учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов/Л.Г.Бебчук, Ю.В.Богачев, Н.П.Заказнов и др.; Под общ. ред. Н.П.Заказнова. - М.: Машиностроение, 1988. - 312с., ил.

Оптична система

optik — Tue, 22 Apr 2014 12:59:43 GMT

Поняття про ідеальну

оптичну систему

Оптична система – це сукупність оптичних середовищ, розділених оптичними поверхнями, які обмежуються діафрагмами.

Оптична система призначена для формування зображення шляхом перерозподілу в просторі електромагнітного випромінювання або світлових пучків. Перетворення світлових пучків в оптичній системі відбувається за рахунок заломлення та відбиття світла поверхнями, а також за рахунок обмеження пучків діафрагмами. Окрім того, пучки світла можуть перетворюватися за рахунок дифракції.

Ідеальна оптична система – це така система, яка будь-яку точку простору предметів зображує стигматично, тобто вона не порушує гомоцентричності широких пучків променів, які проходять крізь неї, в межах великої області простору.

Теорія ідеальної оптичної системи має чисто геометричний характер. В її основі лежать такі положення:

кожній точці простору предметів відповідає лише одна точка в просторі зображень; ці дві точки є спряженими;
будь-якій прямій лінії простору предметів відповідає лише одна спряжена з нею пряма лінія в просторі зображень;
будь-якій площині в просторі предметів відповідає лише одна площина в просторі зображень.

На практиці найчастіше здійснюються розрахунки для центрованих оптичних систем.

Центрована оптична система – це така система, всі поверхні якої (заломлюючі та відбиваючі) є поверхнями обертання, що мають спільну вісь обертання, яка називається оптичною віссю.

Центрована оптична система симетрична відносно оптичної вісі, тому всі явища, пов’язані з проходженням світла крізь таку систему, також підкоряються законам симетрії.

Для центрованої оптичної системи повинні виконуватися наступні умови:

всі плоскі поверхні перпендикулярні оптичній осі;
центри всіх сферичних поверхонь лежать на осі;
всі діафрагми круглі, центри діафрагм лежать на осі;
всі оптичні середовища однорідні або розподіл показника заломлення є симетричним відносно оптичної осі.

Центровані оптичні системи можуть містити в своєму складі плоскі дзеркала та відбиваючі призми, які ламають оптичну вісь, але по суті не впливають на симетрію оптичної системи. Наприклад:

Нумерація елементів оптичної системи здійснюється по ходу променя. Всі відстані між поверхнями (товщини лінз або повітряні проміжки) відкладаються по осі. Оптичну схему прийнята креслити так, щоб її перше (вхідна) поверхня розташовувалася на кресленні зліва.

Будь-яка площина, яка містить оптичну вісь, називається меридіональною площиною. Будемо вважати, що меридіональною площиною є площина креслення. Сагітальною площиною є площина, яка містить промінь, та є перпендикулярною до меридіональної площини.

Література