Скачати повний текст

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі вдосконалення методів проектування дифракційних лінз із заданими оптичними характеристиками. Досліджено властивості багатопорядкових дифракційних лінз, встановлено залежності інтенсивності зображення від конструктивних параметрів лінз. Обґрунтовано та вдосконалено методи проектування на основі використання багатопорядкових лінз для зменшення хроматичної аберації та покращення акомодаційної здатності. Розроблено інженерні методи розрахунку мікрорельєфу багатопорядкових дифракційних лінз. Удосконалено метод розрахунку багатопорядкових дифракційних лінз. Розроблено метод і експериментальний стенд для дослідження дифракційної ефективності дифракційної лінзи.^UThe thesis is devoted to solving of a scientific problem of improving of designing methods of diffractive lenses with given optical characteristics. The properties of multi-order diffractive lenses are studied, the dependences of the image intensity on the design parameters of the lenses are determined. The methods of designing on the basis of the use of multi-order lenses for reduction of chromatic aberration and improvement of accommodation ability are substantiated and improved. The engineering methods of calculating of microrelief of multi-order diffractive lenses are developed. The method of calculating of multi-order diffractive lenses is improved. The method and the experimental stand for research of diffraction efficiency of a diffractive lens are developed.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню наукової задачі підвищення ефективності когерентних оптичних спектроаналізаторів, які входять до складу оптичних систем обробки інформації, шляхом узгодження параметрів їх компонентів. Підвищення ефективності досягається за рахунок використання в когерентних оптичних спектроаналізаторах вхідного транспаранта у вигляді просторово-часового дискретного модулятора світла і матричного приймача випромінювання. Узгодження параметрів модулятора, фур'є-об'єктива і матричного приймача випромінювання дозволили покращити технічні характеристики когерентних оптичних спектроаналізаторів. Критерієм ефективності є запропоновані параметри (технічні характеристики) когерентних оптичних спектроаналізаторів: робочий діапазон просторових частот; просторова смуга пропускання; просторове спектральне розділення.У дисертації на основі скалярної теорії дифракції Френеля проведено аналіз поширення когерентного світла через узагальнену оптичну систему когерентного оптичного спектроаналізатора, яка складається із лазера, вхідного транспаранта, фур'є-об'єктива і матричного приймача випромінювання. Проведені дослідження методичної похибки вимірювання просторової частоти спектра сигналу за допомогою когерентного спектроаналізатора показали, що відомі формули, які застосовуються для визначення просторової частоти, справедливі тільки для параксіальної області. Розроблено новий метод розрахунку відносної похибки, застосування якого на прикладі заданого спектроаналізатора показало, що наближення Френеля в межах кута дифракції від 0° до 10° забезпечує відносну похибку меншу за 1,5% .Обґрунтовано, що використання у цифрових когерентних оптичних спектроаналізаторах матричних пристроїв вводу і виводу оптичних сигналів дозволяє досліджувати і обробляти двовимірні оптичні сигнали, які змінюються в просторі і часі. Однак це вимагає перетворення вхідного і вихідного сигналу в дискретну цифрову форму, що спотворює просторовий спектр сигналу на виході цифрових когерентних оптичних спектроаналізаторів. Для дослідження таких спотворень було розроблено фізико-математичну модель цифрових когерентних оптичних спектроаналізаторів і запропоновано моделі окремих їх компонентів. Обґрунтовано вибір основних характеристик когерентних спектроаналізаторів та розроблено методи розрахунку цих характеристик. Розглянуто методи розрахунку характеристик когерентних оптичних спектроаналізаторів, коли у якості вхідного тест-об'єкта обрано непрозорий екран з прямокутним отвором. Дослідження характеристик когерентних оптичних спектроаналізаторів показало, що робочий діапазон просторових частот обмежується параметрами оптичної системи когерентних оптичних спектроаналізаторів. На основі розробленої фізико-математичної моделі цифрових когерентних оптичних спектроаналізаторів обґрунтовано особливості використання матричних модуляторів світла, а саме: 1. Розподіл амплітуди поля у площині спектрального аналізу когерентних оптичних спектроаналізаторів являє собою результат суми дифракційних максимумів, які залежать від просторового спектра зображення, що спотворений імпульсним відгуком спектроаналізатора. Положення максимумів визначається періодом матричної структури просторового-модулятора світла, їх ширина – розміром модулятора. 2. Мінімальні спотворення при вимірюванні спектра зображення будуть у тому випадку, коли у формуванні розподілу амплітуди поля в площині аналізу приймає участь тільки максимуми нульового порядку Для підтвердження результатів проведених теоретичних досліджень когерентних оптичних спектроаналізаторів було розроблено і створено лабораторний стенд оптичного спектроаналізатора, який дозволив провести такі дослідження: вимірювання розподілу інтенсивності світла в дифракційній картині, яка сформована тест-об'єктом; визначення відповідності положення дифракційних максимумів в площині спектрального аналізу їх просторовій частоті; вимірювання спектрів тест-об'єктів, отриманих з використанням двох лазерів з різними довжинами хвиль; вимірювання узагальнених характеристик когерентних оптичних спектроаналізаторів. Наведені експериментально отримані дифракційні картини від тест-об'єктів у вигляді щілини, круглої діафрагми, дифракційної гратки, вимірювання інтенсивності яких підтвердили результати теоретичного моделювання. Отримано просторові спектри прозорої двовимірної структури, дослідження яких дозволяє визначити середні розміри і дисперсію розмірів комірок тканини. Такий метод може знайти широке використання у текстильній промисловості. Отримані у дисертації результати досліджень були використані на КП СПБ «Арсенал», що підтверджується актом впровадження.^UThe thesis is devoted to the decision of a scientific problem of increase of efficiency of coherent optical spectrum analyzers which are a part of optical systems of information processing, by coordination of parameters of their components. The increase in efficiency is achieved through the use in coherent optical spectrum analyzers of the input transparency in the form of a space-time discrete light modulator and a matrix detector. The harmonization of the parameters of the modulator, Fourier lens and matrix detector allowed to improve the technical characteristics of coherent optical spectrum analyzers. The criterion of efficiency is the proposed parameters (technical characteristics) of coherent optical spectrum analyzers: operating range of spatial frequencies; spatial bandwidth product; spatial spectral resolution.The dissertation, based on the Fresnel scalar theory of diffraction, analyzes the propagation of coherent light through a generalized optical system of a coherent optical spectrum analyzer, which consists of a laser, an input transparent, a Fourier lens and a matrix detector. Researches of the methodological error of measuring the spatial frequency of the signal spectrum using a coherent spectrum analyzer have shown that the known formulas used to determine the spatial frequency are valid only for the paraxial region. A new method for calculating the relative error was developed, the application of which on the example of a given spectrum analyzer showed that the Fresnel approximation within the diffraction angle from 0 ° to 10 ° provides a relative error of less than 1.5%.It is substantiated that the use in digital coherent optical spectrum analyzers of matrix devices of input and output of optical signals allows to investigate and process two - dimensional optical signals which change in space and time. However, this requires the conversion of the input and output signal into a discrete digital form, which distorts the spatial spectrum of the signal at the output of digital coherent optical spectrum analyzers. To research such distortions, a physico-mathematical model of digital coherent optical spectrum analyzers was developed and models of their individual components were proposed. The choice of the main characteristics of coherent spectrum analyzers is substantiated and methods of calculation of these characteristics are developed.Methods for calculating the characteristics of coherent optical spectrum analyzers, when an opaque screen with a rectangular hole is chosen as the input test object, are considered. The research of the characteristics of coherent optical spectrum analyzers showed that the operating range of spatial frequencies is limited by the parameters of the optical system of coherent optical spectrum analyzers. On the basis of the developed physical and mathematical model of digital coherent optical spectrum analyzers the peculiarities of using matrix light modulators are substantiated, namely:1. The distribution of the field amplitude in the plane of spectral analysis of coherent optical spectrum analyzers is the result of the sum of diffraction maximum that depend on the spatial spectrum of the image, which is distorted by the pulse response of the spectrum analyzer. The position of the maximum is determined by the period of the matrix structure of the spatial modulator of light, their width - the size of the modulator.2. Minimal distortions in the measurement of the spectrum of the image will be in the case when in the formation of the distribution of the field amplitude in the plane of analysis involves only maximum of zero order.To confirm the results of theoretical researches of coherent optical spectrum analyzers, a laboratory stand of optical spectrum analyzer was developed and created, which allowed to conduct the researches: measured the distribution of light intensity in the diffraction pattern formed by the test object; determining the correspondence of the position of diffraction maximum in the plane of spectral analysis to their spatial frequency; measuring the spectrum of test objects obtained using two lasers with different wavelengths; measurement of generalized characteristics of coherent optical spectrum analyzers. The experimentally obtained diffraction patterns from test objects in the form of a slit, a round diaphragm, a diffraction grating, the intensity of which was confirmed by the results of theoretical modeling. The spatial spectrum of a transparent two-dimensional structure are obtained, the research of which allows to determine the average sizes and variance of the dimensions of tissue cells. This method can be widely used in the textile industry. The research results obtained in the dissertation were used at SDPSE Arsenal, which is confirmed by the act of implementation.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню наукової задачі підвищення якості зображення та ефективності безпілотних, авіаційних та космічних тепловізійних систем спостереження шляхом узгодження параметрів і характеристик системи, зміни фокусної відстані об'єктива та додатковим доворотом за кутами візування.Розроблено метод розрахунку просторового розрізнення тепловізійної системи спостереження, який полягає у врахуванні впливу відхилення візирної осі від надиру на деформацію проекції пікселів та дозволяє більш достовірно розрахувати лінійне розділення на місцевості. Удосконалено фізико-математичну модель, яка описує процес перетворення інфрачервоного випромінювання від земної поверхні до тепловізійної системи спостереження на літальному апараті, шляхом врахування впливу динаміки руху при відхиленні візирної осі від надиру, що краще і точніше характеризує якість отримуваного тепловізійного зображення. Запропоновано та науково обґрунтовано нові методи підвищення просторового і енергетичного розділення, які базуються на додатковому довороті тепловізійної системи спостереження за кутами візування та зміні фокусної відстані об'єктива в залежності від кутів візування, що дозволило зменшити розмиття зображення.^UThe dissertation work is devoted to solving the scientific problem of improving the image quality and efficiency of unmanned, aviation and space thermal imaging viewing systems by matching the parameters and characteristics of the system, changing the focal length of the objective and additional rotation angles of sighting.The first section reflects the relevance of this topic based on an overview of the areas of application and purpose of thermal imaging viewing systems (TIVS), that is analysis of the current state and prospects. The conditions in which aircraft TIVS work are considered and the modern requirements necessary to formulate the purpose and tasks of research are defined.The directions of research of ways of improvement of technical characteristics of TIVS which are based on the analysis of dependence of quality of the thermal imaging image on arbitrary angles of sighting and accounted of dynamic of movement are substantiated.In the second section processes are formalized that form the image of the moving TIVS when the deviation of the TIVS at the angles of sighting from the nadir that which will estimate the amount of blur and deformation of the projection points of the focal plane array (FPA).A model for determining the velocity of the observation point is proposed, which allows to calculate the velocity of the image movement in the focal plane, depending on the trajectory of the orbit, coordinates and inclination of the spacecraft. A model for determining the angular velocity of the TIVS additional rotation to solve the problem of effective observation of an object over a long period of time is described. The technique of angular motion is described, which describes the physics of deformation of the projection points of the FPA on the Earth's surface (ES) during the deviation of the TIVS at the angles of sighting.The third section is devoted to the development and improvement of a physical and mathematical model (PMM) for the study of the conversion of infrared radiation from ES to a thermal imager (operator) under different conditions of observation. In this section the basic analytical expressions and dependences are received, techniques are developed and algorithms of calculations which will be used for the analysis of quality and efficiency of TIVS are described.PMM information transformations for TIVS aircraft are developed, which takes into account the characteristics of observation conditions, backgrounds, objects, motion dynamics, optical system and FPA. An algorithm is presented that allows to calculate the spatial resolution and to simulate the deformation of the projection of the FPA's pixels on the plane taking into account the curvature of the Earth.Possible ways to improve the technical characteristics of the main blocks of the system involved in the formation and transformation of information, and to improve the linear resolution on Earth's surface (LRES) are identified.The fourth section is devoted to the development of new methods to increase the spatial resolution of the TIVS, the coordination of components and parameters of the TIVS and analysis of their effectiveness.The dependence of the modulation transfer function (MTF) on the presented TIVS constructions is analyzed and shown. The proposed solution is related to the problem of shifting the mercury cadmium telluride matrices with the TDI. The need for additional rotation of the TIVS at the angle of yaw is substantiated. A model is developed for determining the required angular coordinates and angular velocities for additional rotation of the viewing angles at the appropriate time. An approach has been proposed that keeps the spatial resolution almost constant throughout the field of view by changing the focal length of the objective when it deviates from nadir. The formula is obtained for determining the effective path length for sloped routes, which takes into account the rarefaction of the atmosphere and is necessary to calculate the transmittance of the atmosphere. An expression is proposed that reflects the dependence of SNR on the angles of sighting, taking into account the influence of the atmosphere.On the basis of the developed PMM the software which allows to estimate quality of the developed thermal imaging and television systems of supervision and to synthesize new systems is created.The fifth section focuses on the experimental verification and confirmation of the obtained PMM by computer simulation in famous software products and using a digital camera.The effect of a parallel line, which occurs when the deformation of the projection of pixels on the ES due to the deviation of the viewing angles, and the physical principle of forming projections of conditional lines of rows and columns, which explains the manifestation of this effect. Theoretically is obtained results were confirmed by modeling in the programs "Compass 3D" and "Zemax", as well as by the results obtained on a digital camera.