Проблемы и перспективы пространственных спектральных измерений локальных световых полей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 535.243

В.В. Роженцов, Р.К. Мамедов

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЛОКАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ

Современный этап развития оптической науки и техники отмечен динамично развивающимся процессом, для которого характерны развитие оптических и оптоэлектронных приборов и систем, формирующих и отображающих визуальную информацию не только в плоскости, но и в пространстве. Оптические характеристики таких приборов и систем могут зависеть от угла обзора, т. е. от их пространственного положения относительно наблюдателя. Это приборы и системы, использующие жидкокристаллические матрицы, интерференционные и поляризационные покрытия, анизотропные материалы ит. д., а также приборы и системы, изначально формирующие объемное изображение. Эффективность и качество функционирования таких приборов и систем определяются обеспечением высокого качества пространственного оптического изображения и реализацией улучшенных спектральных характеристик световых полей. В этой связи возникает потребность в разработке оптических методов, технологий и средств измерений характеристик локальных световых полей как в плоскости, так и в пространстве.

Особую актуальность информация о пространственных спектральных характеристиках световых полей обретает в тех случаях, когда наблюдения, осуществляемые с помощью интересующих нас приборов и систем, проводятся в условиях темновой и цветовой адаптации человеческого глаза, а также посредством специальных систем, например систем ночного видения. Одно из отраслевых направлений, требующих информации о пространственных спектральных характеристиках световых полей с учетом вышеупомянутых условий наблюдения, — авиация.

Современная тактика требует, чтобы пилотирование летательных аппаратов (ЛА) не зависело от времени суток и условий видимости. Это обусловливает необходимость применения технических средств, позволяющих вести наблюдение в условиях пониженной освещенности

и ограниченной видимости. Для таких целей экипажи ЛА оснащают нашлемными приборами ночного видения (ПНВ). Эти приборы предназначены для наблюдения закабинного пространства ЛА в условиях естественной ночной освещенности (ЕНО) от 1 лк до 5-1(Г4 лк. Область чувствительности ПНВ находится в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне, а также захватывает часть видимого спектрального диапазона 620-930 нм (рис. 1).

ПНВ представляет собой пассивный бинокулярный прибор, принцип действия которого основан на усилении яркости изображения наблюдаемой картины электронно-оптическими преобразователями (далее по тексту — ЭОП) и переводе усиленного изображения в спектр чувствительности человеческого глаза (рис. 2). Коэффициент усиления яркости изображения в несколько тысяч дает четкие и яркие изображения даже при крайне низком уровне естественного освещения, таком, как, например, тусклый свет звезд. Таким образом, экипаж ЛА с очками ночного видения, установленными на шлеме пилота, может наблюдать объекты вокруг себя и обозревать закабинное пространство почти также эффективно, как в нормальных дневных условиях.

Однако эффективность работы очков ночного видения может быть в значительной степени нивелирована вследствие их засветки внутрика-бинными источниками светового излучения, если их оптические параметры не были рассчитаны на работу совместно с ПНВ.

Это в свою очередь ставит задачи адаптации оптических приборов и систем к приборам ночного видения, а так же оценки оптических характеристик приборов и систем, работающих совместно с ПНВ.

В настоящее время в Российской Федерации средства метрологического обеспечения, учитывающие вышеописанные условия наблюдений, при всей их актуальности не разработаны, что

в значительной мере усложняет возможность оценки в отечественной практике совместимости адаптируемых приборов с ПНВ. Решение аналогичной проблемы, известное из мировой практики, сводится к следующему:

измерению параметров оптического излучения внутрикабинного и внешнего светотехнического оборудования (СТО), совместимого с ПНВ;

проведению экспертной оценки общей степени адаптации внутрикабинного СТО, совместимого с ПНВ.

К измеряемым параметрам оптического излучения внутрикабинного и внешнего СТО согласно [10] относятся следующие фотометрические и спектральные характеристики: световая яркость

780

£ = 683 \ К (У )^(У)Й?У;

380

световая освещенность

780

£„=683 \ К (У)Ее(У)ёУ\

(1)

(2)

380

цветовые координаты в системе и' V' МКО — Международного комитета по освещению (1976)

780

Х= \xN(X)dX•,

380 780

У = \ yN (У)Й?У;

380

780

Z= \zN (У )Й?У;

380

4Х

и =-

V =-

X + 15K + ЗZ 9 Г

930

Ж/ = Я | С(У)ЛГ(У)с1У.

380

(9)

Существуют также два дополнительных параметра [8], описывающие критерии совместимости исследуемого источника излучения и ПНВ: отношение «зеленый/красный» =

рт(У)#(У)</У = {(7(У)^(У)<Л, '

коэффициент усиления ПНВ:

_ Кё № (У У )</У 683 (У)ТУ(У)</У'

(Ю)

(Н)

(3)

(4)

(5)

(6)

. (7)

х+ш+зг

ПНВ-яркость при нормированной световой яркости

930

ПНВ-яркость = 5 | С(У)ЛТ(У)<*У; (8)

380

ПНВ-сила света (N111) при нормированной световой яркости

По-нашему мнению, описанный выше метод имеет ряд недостатков, а именно:

отсутствие учета пространственного распределения фотометрических характеристик светового поля. Измерения спектральных плотностей энергетических фотометрических величин проводятся только по нормали к излучающей поверхности. Информация об угловом распределении спектральных плотностей энергетических фотометрических величин отсутствует, вследствие чего невозможно определить углы обзора прибора и оценить совместимость прибора с ПНВ при их различных взаимных пространственных положениях;

отсутствие учета сложения световых полей. Адаптированные оптические приборы и системы применяются комплексно, и рассматривать совместимость с приборами ночного видения по отдельности не корректно;

точечность характеристик светового поля, т. е. в описанных методиках проводятся измерения точки на излучающей поверхности адаптированного оптического прибора, в то время как излучающей является вся поверхность. Таким образом, отсутствует информация о неравномерности фотометрической характеристики по излучающей поверхности;

отсутствие учета темновой адаптации человеческого глаза. Не учитывается совместимость оптических приборов и систем с глазом, адаптированным к ночному зрению.

На основе выполненного нами анализа зарубежной практики решения задачи оценки совместимости адаптированных приборов с ПНВ и выявленных при этом недочетов нами предложен метод, основанный на пространственных спектральных измерениях локальных световых полей.

о)

1 -,

400

—I—

500

600

700

800

—I-1

900 X, нм

X, нм

в)

Л А ^-т-т-,

400

500

600

700

800

900 X, нм

г)

1 -1

щхуущ

400

500

Л /\

Лл.

600

700

800

900

X, нм

Рис. 1. Схема восприятия спектра излучения исследуемого прибора человеческим глазом и прибором ночного видения:

а — спектр излучения исследуемого объекта, Л^Х); 6 — относительные спектральные чувствительности К(Х) (человеческий глаз), б(Х)** (прибор ночного видения); в — восприятие яркости исследуемого объекта глазом (световая яркость); г— восприятие яркости исследуемого объекта прибором ночного видения (ПНВ-яркость)

* — при нормальных условиях наблюдения;

** — приведена спектральная чувствительность 1111В 3-го поколении класса Л, тип 1

/— Объектив

(проецирует изображение в плоскость фотокатода)

- Фотокатод (эмиттирует электроны е под де11Ствием слабого электромагнитного излучения hv)

4 — Люмшшецентный экран

(преобразует электронное изображение в оптическое изображение видимого спектралыюгодиапазона)

6 — Глаз (воспринимает усиленное изображение видимого иближнего инфракрасного излучения)

Высоковольтный источник питания Оптико-электронный преобразователь (ОЭП)

5 — Окуляр (коллимируетизображениелюмини-сцентного экрана в плоскость выходного зрачка)

Микроканальная плаетинка (МКП)

(усиливает пространственно-организованные потоки электронов)

Рис. 2. Принципиальная схема работы прибора ночного видения

Суть предлагаемого метода заключается в измерении пространственных распределений спектральных плотностей энергетических фотометрических величин как исходных характеристик поля неполяризованного излучения для данной площади светового поля излучения, что позволяет рассчитать оптические характеристики, структуру, спектральный состав локальных световых полей и впоследствии произвести сравнение с требуемыми значениями соответствующих оптических параметров.

Измерение пространственного распределения спектральной плотности энергетической фотометрической величины происходит следующим образом. Световой пучок от протяженного источника излучения проходит через объектив У, формирующий теле центрический ход лучей. Следующий за ним перестраиваемый селективный оптический фильтр выделяет узкую спектральную полосу излучения. Группа линз 1 восстанавливает начальное угловое распределение светового пучка и направляет лучи на Фурье-объектив. Происходит Фурье-преобразование, при котором угловое распределение интенсивности излучения преобразуется в линейное в плоскости Фурье-плана. Последующая оптическая система линз формирует изображение Фурье-плана на матричном приемнике излучения (рис. 4). Таким образом, получается картина зависимости пространственного рас-

пределения фотометрической величины для фиксированной длины волны (рис. 3, разрез А и Б). Перестраиваемый узкополосный оптический фильтр позволяет в динамике.получать картины распределения для заданного спектрального диапазона. Путем изменения фокальной плоскости в пространстве предмета можно получить пространственное распределение спектральной плотности фотометрической величины светового поля для заданного спектрального диапазона.

Таким образом, полученная при измерениях информация позволяет рассчитать спектральные оптические характеристики локальных световых полей. В случае воздействия не одного, а нескольких источников излучения можно путем моделирования световых полей каждого отдельного источника рассчитать суммарное пространственное распределение спектральной плотности фотометрической величины светового поля для заданного спектрального диапазона. Полученные в результате вычислений данные далее сравниваются с требуемыми значениями по разработанным критериям оценки совместимости адаптированных приборов с ПН В, и на этом основании делается вывод об их совместимости.

Предложенный нами метод позволит исключить недостатки, отмеченные на основании зарубежной практики решения задачи оценки совместимости адаптированных приборов с П Н В,

Рис. 3. Результирующие данные пространственных спектральных измерений

локального светового поля

и получить наиболее полную информацию о параметрах светового поля.

Практическая реализация данного метода потребует необходимости выполнения следующих работ:

исследования пространственной структуры локальных световых полей;

создания технических средств метрологического обеспечения, основанных на пространственных спектральных измерениях;

разработки методов измерений спектральных плотностей энергетических фотометрических величин на основе пространственных спектральных измерений;

ПЗС матрица

А

Фурье-план

Апертурная диафрагма

Объектив 1

Фурье-объектив

Полевые линзы

П ерестра и вае м ы й узкополосный

11Фурье-план I

Источник излучения

Рис. 4. Оптическая схема предлагаемого средства измерения пространственного распределения спектральной плотности энергетической фотометрической величины

аттестации и внедрения средств метрологического обеспечения органами государственной метрологической службы РФ.

Реализация данного комплекса работ будет способствовать развитию теории световых по-

лей и на практике поможет решить существующие проблемы не только при эксплуатации ЛА в условиях плохой видимости, но найдет свое применение в решении аналогичных задач при различных областях науки и техники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гершун, А.А. Избранные труды по фотометрии и светотехнике / А.А. Гершун, А.А. Волькен-штейн, М.М. Гуревич, Д.Н. Лазарев // М.: ГИФМЛ, 1958.— С. 125-175.

2. Бахарев, Д.В. О структуре световых полей |Текст| / Д.В. Бахарев // Светотехника,— 2005. N° 3,- С. 40-44.

3. Бахарев, Д.В. Геометрия размытого оптического изображения |Текст| / Д.В. Бахарев // Светотехника. 1993. № 8,- С. 10-13.

4. Boher, P. Autostereoscopic 3-D display characterization using Fourier optics instrument and computation in 3-D observer space |Текст] / P. Boher, T. Leroux // Proc. IDW'08.- 2009,- P. 2079.

5. Leroux, T. VCMaster3D: a new Fourier optics viewing angle instrument for characterization of autostereoscopic 3-D display |Текст| / Т. Leroux // SID Symposium Digest 40,- 2009,- P. 111-118.

6. Lee Task, H. Night vision imaging system lighting compatibility assessment methodology [Текст] / H. Lee Task, A.R. Pinkus, M.H. Barbato, M.A. Hausmann / Air Force Research Laboratory.— 2004.

7. Lloyd, G.F.H. Cockpit Lighting Standards and Techniques for use with Night Vision Goggle [Текст] / G.F.H. Lloyd // Royal Aircraft Establishment.— FS(F) Working Paper 6. 1986. iss B.

8. Lloyd, G.F.H. A brief guide to NVG Compatible Cockpit Lighting |Текст| / G.F.H. Lloyd // Royal Aircraft Establishment. 1987,- FS(F) Working Paper 160/87.

9. DO-275. Minimum operational performance standards for integrated night vision imaging system equipment [Текст] / Radio Technical Commission for Aeronautics inc.— 12 October 2001.

10. MIL-STD-3009. Lighting, Aircraft, Night Vision Imaging System (NV1S) compatible [Текст] / Department of Defense interface standard, 2 February 2001.