CC BY
35
МЕТРОЛОГИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УДК 528.72(202): 535:36
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СПОСОБА УСТРАНЕНИЯ ЗЕРКАЛЬНЫХ БЛИКОВ С ПОМОЩЬЮ НЕОДНОРОДНОЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ ПЛАСТИНЫ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ
Игорь Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Виктор Николаевич Москвин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры кадастра СГГА, тел. (383)344-31-73, e-mail: [email protected]
Евгений Владимирович Лаптев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант, инженер кафедры НиО СГГА, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Предложен и экспериментально обоснован способ устранения зеркальных бликов в оптическом изображении с помощью неоднородной рассеивающей пластины.
Ключевые слова: метрология, измерения, блик, рассеивающий слой.
METROLOGICAL PERFORMANCE OF METHOD
OF ELIMINATING SPECULAR HIGHLIGHTS WITH INHOMOGENEOUS
SCATTERING PLATE IN OPTICAL WAVEBAND
Igor V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Professor, Department of Metrology, standardization and certification, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected].
134
Метрология и метрологическое обеспечение
Oleg V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Head of Department of Metrology, standardization and certification, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected].
Victor N. Moskvin
Siberian state geodetic academy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Engineering, professor, professor of chair of the inventory, tel. (383)344-31-73, e-mail address: [email protected]
Evgeniy V. Laptev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Postgraduate student, engineer Department of Nanosystems and optical technic, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Proposed and experimentally substantiated method to eliminate specular highlights in an optical image with inhomogeneous scattering plate.
Key words: metrology, measurement, highlight, scattering layer
Большинство предметов в оптическом диапазоне волн имеют зеркальную отражающую поверхность. Поэтому в их изображении образуются блики, подавляющие тонкую структуру изображения и приводящие к ухудшению идентификации предмета по его изображению. Одновременно на исходное изображение могут накладываться блики от посторонних источников.
Одним из методов устранения этих помех, не изменяя источника подсветки, является способ, когда перед предметом располагается прозрачный в выбранном диапазоне длин волн неоднородный тонкий рассеивающий слой. В этом случае возможность устранения бликов будет определяться индикатрисой рассеяния этого слоя и мощностью помехи [1].
Для пояснения данного способа удобно воспользоваться аппаратом оптической передаточной функции (ОПФ). Напомним, что Фурье-образ функции рассеяния есть ОПФ, которая характеризует оптические системы как фильтр пространственных частот. Модуль оптической передаточной функции есть частотно-контрастная характеристика, описывающая зависимость передачи контраста от пространственной частоты.
Пусть для простоты изложения размер наблюдаемого предмета существенно меньше расстояния, на котором он наблюдается, и характерный угол индикатрисы рассеяния превышает угловой размер входной апертуры оптической системы:
где F, D - фокусное расстояние и диаметр апертуры приемной оптики; L, l -расстояние от наблюдаемого объекта до приемной оптики и рассеивающего
r/F << 1,
135
Метрология и метрологическое обеспечение
слоя соответственно; ф0 - характерный угол индикатрисы рассеяния рассеивающего слоя; г - модуль радиус-вектора в фокальной плоскости приемной оптики (рис. 1).
2
Рис. 1. Схема устранения зеркальных бликов:
1 - приемная оптическая система; 2 - рассеивающий слой; 3 - объект; 4 - участок зеркального блика
Индикатриса рассеяния определяется соотношением длины волны излучения и характерного размера неоднородности рассеивающего слоя.
ОПФ тонкого рассеивающего слоя при указанных выше приближениях может быть записана в виде [1]:
K(w) = exp(-Dw2r2),
rc = А Ко +
М!
v L j
где w - пространственная частота; г0 - разрешение приемной оптики. Данные соотношения получены для точечных апертур, обеспечивающих наилучшее разрешение. Последнее утверждение легко обосновать следующим образом. Пусть оптическая система является идеальной безаберрационной. В этом случае ее разрешение может быть определено согласно критерию Релея: r0 ~ 1.2XF /D. Тогда выражение для rc можно записать в виде [1]:
1 +
ф0
ID
L X
п2
r
c
Данная оценка подтверждает высказанное выше утверждение.
136
Метрология и метрологическое обеспечение
Из приведенных выше соотношений следует важный вывод: качество изображения объекта улучшается с уменьшением ф0 и отношения l/L. Другими
словами, для устранения зеркальных бликов без потери качества изображения объекта необходимо рассеивающий слой размещать вблизи приемной оптики. Ниже приведены графики (рис. 2) зависимости параметра rc от относительного
положения рассеивающего слоя.
Л с
■ J ^ Л Ш 1
4 о R • ^' —■
0,0 о . **
0 2о о
012,0 " IV о .
UL 2 ■ 0. _ ^
1,0 Л •
1
0,0 0 -J с ^
0, о ю . см ,0 0, 1/L 70
Рис. 2. Зависимость параметра rc от относительного положения рассеивающего слоя: сплошная линия ф0 = 0,01; мелкая штриховка ф0 = 0,04; крупная штриховка ф0 = 0.1
Рассчитаем распределение интенсивности поля в фокальной плоскости от точечного источника в приближении однократного рассеяния. Рассеянное и прошедшее излучение через рассеивающий слой можно записать в виде [2]:
ЕР
л!
F 4l2
Еп = ! ^ п 4l2
vFy 2
2 3
cos 0 cos yacу(0 + у)Alexp(-aa(l1 +12)),
-exp(-aal - acAl)S(r),
где ! - мощность источника излучения; aa, ac - показатель ослабления среды и показатель рассеяния слоя соответственно; у(0) - индикатриса рассеяния элементарного участка рассеивающего слоя. Свертка суммы Ер и Еп с аппа-
1 г2
ратной функцией объектива Е0(г) = —2exp(—2) описывает суммарное рас-
лг0 г0
137
Метрология и метрологическое обеспечение
пределение интенсивности поля в фокальной плоскости приемной оптической системы:
Е(г) = 1 exp(_aal - ac^“Г ехр(- Х—) + f Ео(г - г' )Ер (г' )dr'.
4l2 лгп2 г02 Jr
А0 А0
Последний интеграл сводится к однократному:
f Eo(r - r' )Ер(r)dr' = exP(- f Ер(r') exP(- :Г^)1о (r'2r)r'dr'.
Ао
Ао
Ао
Ао
Здесь 1о - функция Бесселя мнимого аргумента. В переменных задачи 1, r = |r| окончательно можно записать:
г
r'2 2г
пD2 пD2 2 r2 r-exp(---)I(r'—) х
E(r) = I-—exp(-a l -a A l) + I-— a A l—exp(-)f r2 r2
' c 4lF2 ' r2 r2 y ' '
4l2
l2
F3
х
l2 + (L - l)2
fI'i (F2 + r' )
l F J
х
f \
l r'
х у arccos (l + (L -1)2 f rA h arctg — ) F
l l F J J
х
х exp
-a
l2 + (L - l)2
r2
l F J
- a
(L - l) (F2 + r'2)
r'dr'.
В отличие от работы [2], в полученном выражении учитывается разрешение оптической системы. ОПФ вычисляется как Фурье-преобразование от функции Е(г):
h(w ) = 2nf Е(г)1 (w r)rdr,
где Jo - функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
В экспериментах в качестве объекта использовалась решетка (растр), состоящая из четырех секторов и плоской пластины, расположенных на равном расстоянии между собой. Ориентация плоской пластины подбиралась таким образом, чтобы зеркальный блик от нее попадал на приемную оптическую систему. Ширина и длина растра и плоской пластины были одинаковыми.
138
Метрология и метрологическое обеспечение
Метрологическое обеспечение измерений параметров разрешения обеспечивалось соблюдением нормативных документов [3, 4] при проведении исследований. В экспериментах диффузно рассеянное излучение экрана с чернобелой границей, наблюдаемое через неоднородную пластину, проектировалась объективом с D/F = 0.086 на экран. Расстояние L от объекта до приемной системы составляло 2 м. Усреднение влияния неоднородностей пластины и усреднение индикатрисы рассеяния от элементов рассеивающего слоя достигалось путем вращении ее со скоростью 2 об/с. По результатам сканирования изображения черно-белой границы экрана с помощью микрофотометра определялась ОПФ модели турбулентного слоя согласно методике, предложенной в работе [5].
На следующих рисунках (рис. 3) показаны графики, характеризующие изображения растра для различных параметров рассеивающего слоя.
Рис. 3. Распределение интенсивности поля при изображении растра:
а) с зеркальным бликом; б) с рассеивающим слоем с плоской поверхностью, обращенной к объекту; в) с рассеивающим слоем с плоской поверхностью, обращенной к наблюдателю
Отчетливо виден эффект подавления тонкой структуры изображения зеркальным бликом.
Таким образом, с помощью неоднородной рассеивающей пластины возможно устранить зеркальные блики в изображении предметов. Другой принципиальный вывод состоит в том, что рассеивающий слой не должен иметь плоской поверхности. Если одна из поверхностей рассеивающего слоя будет плоской, то при ее ориентации на наблюдателя блики будут устраняться только частично, в противном случае блик будет устраняться полностью.
139
Метрология и метрологическое обеспечение
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование переноса изображения через турбулентный слой с помощью модельных сред / Минин В.Ф., Байбулатов Ф.Х., Демлер А.И., Таланин А.М. // Исследование Земли из космоса. - № 1. - 1981.
2. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере. - М.: Сов. Радио, 1977.
3. ГОСТ 8.557-2007. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений спектральных, интегральных и редуцированных коэффициентов направленного пропускания и оптической плотности в диапазоне длин волн от 0,2 до 50,0 мкм, диффузного и зеркального отражений в диапазоне длин волн от 0,2 до 20,0 мкм.
4. ГОСТ 23479-79. Контроль неразрушающий. Методы оптического вида. Общие требования.
5. Перрен Ф. Методы оценки фотографических систем. - УФН, 1962. - Т. 78. -Вып. 2. - С. 307-344.
6. Михайлова Д.С. Рассеяние и поглощение света металлическими диспергированными плёнками на прозрачных подложках // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2011. - С.161-165.
7. Михайлова Д.С., Чесноков Д.В., Чесноков В.В. Многолучевой трёхзеркальный интерферометр // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. -С.166-168.
8. Чесноков В. В. Пленочные пассивные оптические затворы для защиты приемников изображения от ослепления / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, В.Б. Шлишевский // Оптический журнал. - 2011. - Т.78, № 6. - С.39-46.
9. Повышение контраста и информативности изображений на основе спектральной и пространственно-угловой фильтрации излучения / Кузнецов М.М., Ушаков О.К., Тым-кул В.М., Носков М.Ф. // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2 (13). - С. 96-100.
10. Виртуальные испытания систем технического зрения / Грицкевич Е.В., Скворцов Д.А., Гептнер П.О., Проценко О.Ю. // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 114-121.
11. Грицкевич Е.В., Звягинцева П.А. Согласование оптической системы и фотоприемника в измерительных приборах // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 74-80.
12. Парфенова Т.В. Линзовый двухдиапозонный ИК-объектив // Вестник СГГА. -2012. - Вып. 2 (18). - С. 87-93.
Получено 22.11.2012
© И.В. Минин, О.В. Минин, В.Н. Москвин, Е.В. Лаптев, 2012
140
