Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности научных исследований и технологических процессов неразрывно связано с развитием методов и средств контроля физико-химических и геометрических параметров изучаемых или производимых объектов. Особый интерес в этом отношении представляют оптико-электронные методы и средства, отличающиеся бесконтактностью и потенциально высокой точностью измерений. Переход отечественной промышленности к серийному выпуску многоэлементных фотоприемников (МЭФ) и микропроцессорных контроллеров открыл перспективу разработки и внедрения прецизионных устройств контроля параметров объектов и технологических процессов.
Исследования и разработки в данном направлении за рубежом ведутся достаточно широко, в то время как в отечественной научно-производственной практике такие работы не получили должного развития и отражения в литературе. В имеющихся публикациях отсутствуют работы, обобщающие накопленный опыт применения МЭФ, не рассмотрены особенности фотометрирования изображений , формируемых в системах контроля, а также методы расчета и уменьшения погрешностей фотометрирования. Уровень функциональных возможностей и характеристик описанных в отечественной литературе устройств фотометрирования на базе МЭФ не позволяет говорить о реализации их потенциала и возможности построения на их основе эффективных устройств контроля. Некоторое исключение составляет многоканальный анализатор спектра МАСИ - 2, разработанный в СО РАН, однако ориентация на применение в качестве периферийного устройства универсальных ЭВМ и высокая стоимость ограничивают возможности его применения в системах контроля.
Такое состояние дел в области разработки и применения оптико-электронных устройств контроля на базе МЭФ делает необходимым исследование возможностей улучшения их точностных и скоростных характеристик за счет адаптации режимов работы используемых МЭФ к условиям регистрации, компенсации вносимых ими погрешностей и оптимизации программно-аппаратных решений при регистрации и обработке сигналов МЭФ.
Цель работы состоит в совершенствовании устройств фотометрирования на базе МЭФ, ориентированных на преимущественное приме-
нение в спектрометрических и дифрактометрических устройствах контроля, а также в разработке методов расчета их характеристик.
Предмет исследования - процесс фотометрирования спектральных и дифракционных распределений интенсивности оптического излучения с помощью МЭФ.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют:
-
Классификация вариантов окружения (характеристик входного излучения и основных методов обработки сигнала) устройств фотометрирования на базе МЭФ, опирающаяся на анализ способов преобразования излучения в оптических системах устройств контроля и выделение информативных характеристик излучения.
-
Система параметров и характеристик МЭФ, необходимая для разработки и оценки параметров соответствующих высокоточных устройств фотометрирования,' ориентированных на применение в задачах дифрактометрии и спектрометрии.
-
Методики измерения нелинейности характеристик преобразования и неоднородности параметров МЭФ и результаты измерений этих характеристик для линейных фотодиодных приемников.
-
Структурные схемы устройств фотометрирования на базе линейных фотодиодных приемников (ФДП) с компенсацией неоднородности темнового сигнала и неоднородности чувствительности.
-
Структурные схемы устройств фотометрирования с многократным считыванием сигнала, с пространственно адаптируемым временем накопления, с компенсацией нестационарного фонового излучения.
-
Структурные схемы устройств стабилизации амплитуды сигнала МЭФ.
-
Алгоритм оценки и методика расчета погрешности измерения координат минимумов дифракционного распределения (ДР) с помощью аппроксимации сигнала минимума кубическим полиномом.
-
Алгоритм оценки и методика расчета погрешности измерения квазипериода ДР от узкой щели по ширине его пространственного спектра.
Практическая ценность. Практическая значимость результатов работы заключается в формулировании концепции базового устройства фотометрирования и разработке на его основе двух классов приборов контроля. Первый класс включает ряд быстродействующих регистраторов и анализаторов спектра оптического излучения с расширенным диапазоном фотометрирования на базе линейных МЭФ, предназначенных для применения в системах контроля параметров атмосфе-
ры. контроля элементного состава металлов, контроля параметров оптических покрытий в процессе напыления. В устройстве фотометриро-вания, предназначенном для решения последней задачи, применены технические решения, позволяющие компенсировать нестационарное фоновое излучение. Второй класс разработанных приборов включает дифрактометры на базе линейных фотодиодных приемников, в которых реализованы технические решения по пространственной адаптации времени накопления и автоматической стабилизации амплитуды сигнала.
Реализация и внедрение результатов исследований. Разработка и исследование устройств фотометрирования на базе МЭФ проводились в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ(40-82, 10-82. 25-84). Результаты исследований внедрены в Томском ИОА, ЦКБ "Точприбор"(г.Новосибирск), на предприятиях п/я Р6681,' В8590, Р6462. Основные узлы разработанных приборов защищены патентами.
Материалы диссертации используются в учебном процессе АТУ на физическом факультете в лекционном курсе "Основы метрологии и фотометрии".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 Всесоюзных научно-технических конференциях (ВНТК) и совещаниях, а именно на I, III и IV ВНТК "Оптические сканирующие устройства и приборы на их осно-ве"(Барнаул, 1980, 1986 и 1988 г.г.), на II и IV ВНТК "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе"(Барнаул, 1981, 1987 гг.), на I ВНТК "Автоматизированные системы обработки изображений" (Москва 1981 г.), на IV ВНТК "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"(Москва 1982 г.), на II Международной конференции "Датчики электрических и неэлектрических величин"(Барнаул, 1995).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, получено 9 авторских свидетельств на изобретение. Большинство материалов работы вошло в отчеты по НИР, проведенных кафедрой общей электротехники АлтПИ и Отделом прикладной оптоэлектроники ИФП СО АН в рамках хоздоговорной тематики.
Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 196 страницах, включая 72 страницы рисунков и список литературы из 142 названий.
Основные положения, представляемые к защите,
І.Для фотометрирования пространственных распределений излучения с помощью линейных ФДП необходимо выбирать диапазон изменения сигнала на уровне не более (35 - 40)% от насыщения и рассчитывать освещенность по трем отсчетам сигнала, измеренным при минимальном, номинальном и среднем времени накопления в соответствии с алгоритмом квадратичной интерполяции этих отсче-тов.
2. Для прецизионного (с погрешностью не более (0,2 - 0,3)% ) измерения квазипериода дифракционных распределений (ДР) целесообразно использовать двухэтапный алгоритм измерения с применением на втором этапе упрощенных алгоритмов кубической аппроксимации сигнала с центром локальной системы координат в точке приближенной оценки координаты, полученной на первом этапе.
З.Для оперативного (в реальном масштабе времени) измерения ширины узкой щели по дифракционному распределению с погрешностью не более 1% целесообразно использовать измерение ширины пространственного спектра ДР, включающее аппаратное дискретное преобразование Фурье изображения центрированного ДР и линейную аппроксимацию амплитудного спектра. При этом точка пересечения аппроксимирующей прямой с осью частот характеризует ширину спектра, связанную с шириной щели линейной зависимостью.
4.Использование предложенных схемно-алгоритмических решений по компенсации неоднородности темнового сигнала и чувствительности МЭФ, а также решений по многократному считыванию сигнала ФДП, поэлементному варьированию времени накопления, синхронному с прерыванием излучения накоплению суммарного и фонового сигналов обеспечивает повышение точности и помехоустойчивости устройств фотометрирования. Предложенные решения по стабилизации амплитуды сигнала ФДП позволяют устанавливать оптимальное время накопления для каждого интервала фотометрирования.
Основные положения, представляемые к защите, отражают личный вклад автора в разработку избранной проблемы.
