Расчет освещенности экрана астигматическим пучком при распространении его в неоднородной среде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат технических наук Нгуен Ван Тханг

• Нгуен Ван Тханг
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Ван Тханг

введение.:.:.з

ГЛАВА

РАСЧЕТ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА ОТ ДВУХ КОГЕРЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1. Теория расчета освещенности экрана от двух когерентных источников.

1.2. Распространение оптического излучения в однородной прозрачной среде.

1.3. Оптические схемы получения двух когерентных одинаково поляризованных пучков .:.

1.4. Компьютерное моделирование освещённости экрана от двух пересекающихся пучков.

1.5. Выводы к первой главе.:.

ГЛАВА

РАСЧЕТ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА С УЧЕТОМ РЕФРАКЦИИ СВЕТОВОГО ПУЧКА 2.1. Анализ метода расчета освещенности экрана для пучка в неоднородных средах.

2.2. Расчет распространения светового пучка в сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики.

2.3. Алгоритм расчета изменения освещенности экрана для сферически неоднородной среды.:.•.

2.4. Программа расчета освещенности экрана в интерференционно-рефракционной системе.

2.5. Выводы ко второй главе.

ГЛАВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА 3.1 Оптические элементы экспериментальных систем.

3.2. Оптические схемы установок для исследования изменения освещенности экрана. 81 3.2.1 Лазерные рефрактографические системы.

3.2.2. Интерференционная система на основе интерферометра Маха-Цендера.

3.2.3. Схема интерференционно-рефракционной установки.

3.3. Оптические схемы на основе метода фазового сдвига.

3.4. Выводы к третьей главе.:.

ГЛАВА

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КАРТИН ОСВЕЩЕННОСТИ ЭКРАНА

4.1. Методы обработки рефракционных изображений [37].

4.2. Алгоритм и программа обработки рефрактограмм для сферически неоднородной среды [42].

4.3. Метод фазового сдвига.

4.4. Выводы к четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет освещенности экрана астигматическим пучком при распространении его в неоднородной среде»

Актуальность работы. Современный этап развития светотехники характеризуется тремя существенными достижениями.

В-первых, это создание источников света нового поколения [1-3] -полупроводниковых лазеров и светодиодов, которые стали применяться для освещения-, а также в различных светотехнических приборах, в частности, • в оптико-электронных системах. Они имеют преимущества по сравнению с традиционными источниками: монохроматичность, высокая направленность, большая плотность мощности, поляризованность и т.д. Примером применения лазерных источников в области освещения - это лазерные шоу и различные виды рекламы. Свойства высокой направленности и высокой когерентности новых световых источников позволяет широко их применять во многих областях, особенно в оптических методах измерения. Известные достоинства оптических методов - высокая чувствительность, бесконтактность применения, отсутствие влияния на параметры исследуемого явления, возможность проведения качественных и количественных измерений - способствовали использованию их при визуализации и изучении неоднородностей в прозрачных средах. Кроме того, оптические методы практически не имеет' инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов [1,4]. ' .

Во-вторых, развитие новых методов цифровой регистрации освещенности объектов позволяет создавать новые методы измерения различных физических величин [5-7]. Совместное использование цифровой регистрации оптических изображений и их цифровой обработки позволяет сократить затраты труда и времени, а также повышать точность измерения.

В-третьих, современные компьютерные технологии позволяют проводить математическое моделирование сложных физических явлений, которые можно увидеть визуально только после сложной компьютерной обработки их изображений [8].

Одним из современных методов исследования оптически неоднородных сред является метод лазерной рефрактографии, основанный на освещении оптически неоднородной среды структурированным излучением, регистрации создаваемой им освещенности экрана и компьютерной обработке изображения рефракционных картин, наблюдаемых на экране. Основная сложность исследования неоднородных сред заключается в трехмерности и отсутствии общих аналитических решений для распространения излучения в них. Аналитическое решение прямой задачи расчета и визуализации распространения геометрооптических лучей в оптически неоднородной среде возможно, если среда является сферически (или плоски) неоднородной средой, показатель преломления которой зависит только от одной координаты (п = п{г) в сферической системе координата или п = п{у) в декартовой системе координата).

Цель работы. Основной целью данной работы является разработка методов расчета освещенности экрана для исследования распространения светового излучения в оптически прозрачной неоднородной среде с учетом явлений интерференции и сильной рефракции. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: разработать алгоритм и создать математическую модель расчета освещенности экрана в разных интерференционных схемах (глава 1), провести анализ влияния различных параметров интерференционных схем на изменение освещенности экрана; разработать метод расчета и исследовать распространение монохроматического излучения в прозрачной сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики; разработать методику расчета освещенности экрана в каустической области в приближении геометрической оптики с учетом интерференционных явлений сильной рефракции; разработать алгоритм и создать программу расчета освещенности на виртуальных экранах, а также изображения светового излучения в трехмерном пространстве для оптически сферической неоднородной среды с известным законом распределения показателя преломления; создать экспериментальную установку для исследования распространения астигматического пучка в сферически неоднородном слое, создаваемом нагретым металлического шаром в холодной воде; разработать метод обработки экспериментальных данных для решения обратной задачи.

Научная новизна работы заключается в следующем.

• Разработана обобщенная теория .расчета освещенности экрана двумя когерентными пучками, распространяющимися в оптически однородной среде. Рассмотрены три вида пучков и три основных типа оптических схем.

• Получены аналитические соотношения для расчета освещенности экрана в случае гауссова пучка, распространяющегося в прозрачной сферически неоднородной среде.

• Разработана теория и алгоритм расчета изменения формы и расходимости астигматического пучка, распространяющегося в сферически неоднородной среде.*

C4J*

• Разработана теория расчета освещенности экрана для широкого светового пучка в сферически неоднородной среде с учетом сильной рефракции.

• Разработан алгоритм и создана программа обработки результатов освещенности экрана с целью решения обратной задачи.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработанный метод расчета позволяет определять освещенность экрана при наличии интерференции различных типов пучков в различных оптических схемах. в»

• Разработанный метод расчета позволяет определять освещенность экрана при наличии сильной рефракции в сферически неоднородной среде и моделировать как интерференционные, так и рефракционные

• явления.

• Созданная экспериментальная установка на базе He-Ne лазера и цифровой регистрации освещенности экрана позволяет исследовать сферически пограничный слой как рефракционным, так интерференционным методом.

• Разработанный алгоритм и созданная программа обработки картин освещенности экрана позволяют восстанавливать распределения показателя преломления сферически неоднородной среды.

Практическая ценность работы.

Практическую значимость работы определяют следующие результаты:

• разработана компьютерная программа INTER-MOD моделирования освещенности экрана для когерентных лазерных пучков в среде MathCad;

• разработана компьютерная программа INTER-PROC обработки интерференционных картин на основе преобразования Фурье;

• разработана компьютерная программа LAREF-3D расчета и визуализации освещенности экрана в трехмерном пространстве; разработана компьютерная программа LAREF-PROC обработки экспериментальных рефрактограмм. Внедрение. Результаты работы были использованы при создании макета экспериментальной установки и при подготовке описания лабораторных работ «Компьютерное моделирование интерференции лазерных пучков» по курсам «Основы информационной оптики» и «Лазерная интерферометрия» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника».

Достоверность полученных результатов. в Результаты расчета изменения освещенности экрана для широкого пучка в каустической области сравнивались с экспериментальными картинами. ■ Полученные по предложенному методу обработки формы температурного профиля в пограничном слое сравнивались с результатами непосредственно измерения в эксперименте с помощью термопары, при этом наблюдается непротиворечивость результатов сравнения в пределах методической погрешности эксперимента. Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на 8 конференциях и семинарах в период с 2004 по 2009 гг

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах, из них 2 статьи - в реферируемых журналах, 4 статьи в трудах конференций, 4 работы в тезисах докладов на конференциях, 2 программных средства учебного назначения, одно учебное пособие, без соавторов - 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков, 4 таблицы, 45 наименования списка литературы, 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Светотехника», Нгуен Ван Тханг

4.4. Выводы к четвертой главе

- Разработан метод обработки экспериментальных данных с помощью метода максимального правдоподобия. Применен метод наименьших квадратов для обработки картин освещенности экрана в лазерной I рефрактографии.

- Приведен алгоритм обработки изображений освещенности экрана в различных условиях.

На основе приведенного алгоритма создана программа предварительной обработки экспериментальных изображений. Программа позволяет изменять резкость, контраст, освещенность изображений, выделить контур изображений, фильтрировать шум, и.т.д.

- Разработан алгоритм обработки картин освещенности экрана в рефрактогрфической системе.

- На основе приведенного алгоритма создана программа обработки экспериментальных картин для диагностики неоднородности среды.

- Разработан метод обработки интерферограммы фазового сдвига в интерференционной системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен алгоритм расчета освещенности экрана лазерными пучками, распространяющимися в однородных средах, для разных интерференционных схем в одно-, двух- и также трехмерном представлениях.

• Разработан алгоритм и создана программа расчета и визуализации освещенности экрана астигматическим пучком, а также его изображения в трехмерном пространстве для оптически сферической неоднородной среды с известным законом распределения показателя преломления;

• Создана экспериментальная установка для исследования процесса распространения астигматического пучка в сферически неоднородном слое, создаваемым нагретым шаром в воде.

Разработан алгоритм обработки картин освещенности экрана (интерферограмм) в интерференционных схемах с помощью фильтрации Фурье. Программа позволяет определить параметры интерферограмм, например, период, видность;

Разработан алгоритм обработки 'экспериментальных рефрактограмм. Разработанный алгоритм позволяет создать программу восстановления температурного профиля около нагретого тела с радиальной симметрией, помещенного в жидкость;

Разработан алгоритм расчета освещенности экрана в интерференционной схеме с широким пучком в каустической области в приближении геометрической оптики при наличии сильной рефракции.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Ринкевичюсу Б.С за руководство, старшему научному сотруднику кафедры физики им. В.А. Фабриканта Расковской И.Л. за консультацию, ведущему научному сотруднику кафедры физики им. В.А. Фабриканта Толкачеву А.В, ведущему инженеру Есину М.В. за съемку экспериментальных картин, доценту Скорняковой Н.М., старшему научному сотруднику кафедры физики им. В.А. Фабриканта Зубареву Е.И, научному сотруднику кафедры физики им. В.А. Фабриканта Лапицкому К.М., Ширинской Е.С. за помощь выполнения диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Ван Тханг, 2009 год

1. Евтихиева О.А., Расковская И. Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 -176с.

2. Коган Л.М. Полупроводниковые светодиоды: современное состояние. Светотехника, 2000, №6, с. 11-15.

3. Атаев А.Е., Калязин Ю.Ф., Кокинов A.M. // Новые разработки в области источников света на рубеже XXI века. Светотехники, 2000, №5, С. 5-6.

4. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. Казань.: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2007 — 747с.

5. Гужов В.И., Ильиных С.П. Компьютерная интерферометрия.t

6. Новосибирск.: Изд-во НГТУ, 2004 252 с.

7. Васильлев В., Гуров И. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 1998 - 240с.

8. Левин Г.Г., Вишняков Г.И. // Оптическая томография. М.: Радио и связь, 1989.-224 с.

9. Кущ О. К. Оптический расчет световых и облучаемых приборов на ЭВМ: производственно-практическое издание. М.: Энергоатомиздат, 1991,-150 с.

10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики- М.: Изд-во Наука, 1973. 719 с.

11. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980 304 с.

12. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. с англ. Под ред. А.В. Лыкова. М.: Л., Госэнергоиздат, 1961 681 с.

13. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979 -416 с.

14. Майер В.В. Свет в оптически неоднородной среде. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007 232 с.14.