Разработка оптической системы некогерентного перестраиваемого источника воспроизведения цвета с применением акустооптической фильтрации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Беляева Алина Сергеевна

• Беляева Алина Сергеевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Беляева Алина Сергеевна

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

1.1. Способы описания цветов и цветовые пространства

1.2. Способы воспроизведения цветов

1.2.1. Использование набора светофильтров

1.2.2. Набор узкополосных источников

1.2.3. Перестраиваемый лазерный источник

1.2.4. Источники с применением перестраиваемых фильтров

1.3. Выводы по главе

Глава 2. Моделирование и анализ свойств акустооптического фильтра при разработке перестраиваемого источника

2.1. Акустооптическая фильтрация

2.2. Моделирование акустооптической фильтрации в программе Zemax Optic Studio

2.2.1. Режим последовательной трассировки луча

2.2.2. Режим непоследовательной трассировки луча

2.3. Выводы по главе

Глава 3. Анализ и моделирование оптимальной оптической схемы для перестраиваемого источника

1.1. Схема с конфокальным ходом луча

3.2. Схема с параллельным ходом луча

3.3. Разработка оптической системы, согласующей широкополосный источник и АОФ

3.4. Анализ особенностей схем при использовании 1 и -1 порядков дифракции

3.5.1. Экспериментальная установка

3.5.2. Способы коррекции хроматических аберраций в схеме с АОФ

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Сборка и апробация макета источника

4.1. РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ КООРДИНАТАМИ ЦВЕТА

4.2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

4.3. ОЦЕНКА погрешности воспроизведения цвета

4.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений

Словарь терминов

Список литературы

Список работ автора

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Реферат

Общая характеристика диссертации Актуальность темы. Возможность обеспечить управление спектральным составом излучения, включая как изменение числа выделяемых спектральных линий, так и их положения, ширины и интенсивности, востребована во многих областях, например, в случае необходимости воспроизведения цветов с высокой точностью в колориметрии, при спектральном анализе веществ (в данном случае быстрая перестройка спектрального состава источника обеспечит высокую скорость анализа) и др. Такой источник может использоваться в офтальмологии, нейрофизиологии и других областях для исследования цветового зрения в широком цветовом охвате, покрывающем значительную часть (более 95%) цветового охвата CIE 1931 г. Возможность выделения узкой спектральной полосы 3-5 нм (полуширины спектральной линии) с малой дискретностью перестройки, например в 1 нм, а также быстрая перестройка и управление числом спектральных линий позволит применять перестраиваемый источник в составе множества аналитических комплексов.

В полиграфической промышленности актуально использование цветовых эталонов, их используют для калибровки приборной аппаратуры, колориметров, спектрофотометров и денситометров. Для калибровки приборов используют атласы цвета (Pantone), представляющие собой материальный носитель (бумага, картон, ткань и т. д.), на который нанесена краска в цветах: cyan, magenta, yellow, key (CMYK) с соблюдением определенных пропорций. Каждому цвету соответствуют определенные значения коэффициентов в цветовых пространствах RGB (red, green, blue) и CMYK. Такие цветовые атласы или веера имеют несколько существенных недостатков: короткий срок службы, составляющий приблизительно 1 год; необходимость особых условий хранения; изменение со временем и при эксплуатации спектральных характеристик пигмента бумаги и краски. Использование перестраиваемого источника в полиграфии позволит точнее воспроизводить большее количество цветов в течение всего срока службы источника по сравнению с цветовыми атласами.

Использование перестраиваемого источника для воспроизведения цвета позволит применять его в исследованиях восприятия цвета и цветовых предпочтений в таких научных направлениях как психофизиология и офтальмология. Психофизиологические исследования чаще всего направлены на изучение цветовых предпочтений у людей разного пола и возраста. Поскольку для воспроизведения цвета в настоящее время чаще всего используют цветовые атласы (pantone), то оценка цветовых предпочтений может оказаться неточной по ряду причин: наличие сторонних раздражителей, влияющих на оттенок цвета (например, освещение естественное или искусственное, рефлексы от сторонних предметов и т. д.), интерьер помещения (цвет стен, одежда и т. д.). Эти факторы также влияют на результаты определения цветового зрения в офтальмологии, если используются цветные карточки, например, таблицы Рабкина.

Помимо материальных носителей цвета (эталонов), для воспроизведения цвета используются различные перестраиваемые источники: на основе смешения спектрального состава узкополосных источников (например, RGB матрицы), применения фильтров совместно с широкополосным источником и др. Однако, существующие перестраиваемые источники, как правило, не дают возможности управлять шириной выделенной спектральной линии и имеют ограниченный цветовой охват.

Данная диссертационная работа посвящена разработке и исследованию оптической системы некогерентного источника на базе акустооптического фильтра (АОФ), который позволяет управлять положением выделенных спектральных линий, их количеством и интенсивностью, за счет чего обеспечивается широкий цветовой охват. При выделении узкой спектральной полосы, характерной для акустооптического фильтра, интенсивность излучения и яркость рабочего пучка значительно уменьшается, поэтому необходимо обеспечить максимальный коэффициент использования светового потока источника излучения, работающего в схеме прибора и согласовать работу всех его компонентов, что позволит получить совокупность характеристик, востребованных в научных и промышленных областях.

Целью настоящей работы является разработка компактного перестраиваемого некогерентного источника для воспроизведения цвета в пределах широкого цветового охвата.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Анализ современных научно-технических методов спектральной перестройки.

2. Разработка оптической системы, позволяющей направить максимально возможное количество светового потока с учетом эффективности дифракции АОФ.

3. Моделирование оптической схемы и разработка алгоритма трассировки лучей через АОФ, учитывающего физические особенности акустооптической фильтрации неполяризованного широкополосного излучения при разных углах падения луча на грань фильтра при разной геометрии АОФ, а также реализация алгоритма в виде модуля, работающего с программой Zemax.

4. Экспериментальная апробация результатов моделирования АОФ и системы для верификации результатов.

5. Исследование точности воспроизведения цвета и диапазона цветового охвата.

Научная новизна работы

1. Выполнена теоретическая оценка коэффициента использования светового потока в принципиальных оптических схемах с учетом эффективности дифракции используемого акустооптического фильтра (АОФ).

2. Предложены способы объединения обыкновенно и необыкновенно поляризованных световых пучков, образованных в результате дифракции в АОФ, позволяющие повысить коэффициент использования светового потока в перестраиваемом источнике на основе АОФ при незначительном (до 1,5%) уменьшении цветового охвата.

3. Предложен итерационный алгоритм, учитывающий особенности мультичастотного акустооптического полихроматора и позволяющий выбрать базовые компоненты, на основе которых может быть воспроизведен требуемый цвет с погрешностью ниже порога цветового различия.

Научная и практическая значимость

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут применяться при разработке оптических систем с использованием акустооптических фильтров, где необходимо учитывать особенности фильтрации излучения, размеры кристалла, углы падения лучей на АОФ и поляризацию фильтруемого излучения, в частности:

1. Предложена компактная система, построенная по схеме с параллельным ходом лучей, с использованием free-form линзы, обеспечивающей высокий коэффициент использования светового потока за счет оптимального согласования параметров формируемого излучения с параметрами АОФ, в которой для дальнейшего увеличения коэффициента использования светового потока возможно объединение пучков 1 и -1 порядков дифракции.

2. Разработано программное расширение для моделирования АОФ в программе для расчета и моделирования оптических систем ZemaxOpticStudio, позволяющее учитывать акустооптическую дифракцию на кристаллах разной геометрии при проектировании оптических систем в режиме непоследовательной трассировки луча.

3. Разработан макет перестраиваемого источника воспроизведения цвета с адаптивным цветовым охватом и проанализированы возможные источники погрешности воспроизведения цвета.

Исследования и выводы, полученные в результате выполнения диссертационной работы, изложены в научных публикациях и прошли апробацию на международных и российских научных конференциях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение эффективности использования светового потока до 30 % (при объединении пучков, соответствующих +1 и -1 порядкам дифракции) в схеме перестраиваемого источника с применением акустооптического фильтра-полихроматора обеспечивается за счет коллимирования излучения широкополосного светодиодного источника линзой на основе полного внутреннего отражения, обеспечивающей остаточную расходимость пучка до 14 градусов.

2. Алгоритм расчета хода луча через акустооптический фильтр, учитывающий двулучепреломление в кристалле, разделение луча на компоненты при Брэгговской дифракции и угловую зависимость эффективности дифракции, позволяет включить в расчет в режиме непоследовательной трассировки лучей не только геометрические, но и энергетические характеристики пучка, а также вращение плоскости поляризации, что увеличивает достоверность проектирования оптической системы перестраиваемого источника.

3. Объединение пучков, соответствующих рабочим порядкам дифракции при дифракции Брэгга в системе перестраиваемого источника, за счет применения призменных или волоконных компонентов позволяет увеличить эффективность использования светового потока в 2 раза, при этом увеличение ширины спектральной линии из-за нарушения условия синхронизма приводит к незначительному (не более 1,5 %) уменьшению цветового охвата.

4. Подбор базовых спектральных компонентов с шагом 1 нм, обеспечиваемый применением акустооптического фильтра-полихроматора, а также определение координат воспроизводимого цвета с учетом коэффициента стоячей волны, перестроечной характеристики и спектрального пропускания акустооптического фильтра и спектрального состава источника, позволяет воспроизводить цвета с погрешностью координат цветности xyz не более 0,005, что соответствует погрешности рабочего эталона.

Достоверность

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами расчетов с использованием стандартных теоретических методов исследования из разных научных областей, а также методов компьютерного моделирования и экспериментальными результатами, а именно:

а) методы акустооптики, позволяющие проанализировать распространение акустических и световых пучков в кристаллах, эффективность взаимодействия сходящихся и расходящихся пучков лучей с акустической волной, теория трансформации изображений при акустооптическом взаимодействии;

б) методы расчета и оптимизации оптических систем при габаритном и светоэнергетическом расчете;

в) методы экспериментальных исследований оптической системы на базе АОФ, позволяющие оценить параметры отдельных узлов системы и проанализировать качество цветосмешения.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы «Разработка оптической системы некогерентного перестраиваемого источника воспроизведения цвета с применением акустооптической фильтрации» внедрены в учебный процесс в рамках занятий, проводимых на кафедре конструирования и технологий электронных и лазерных средств по направлению «Лазерная техника и лазерные технологии» (СПб ГУАП). Разработанный макет перестраиваемого источника на базе акустооптического фильтра использован в дисциплине «Акустооптические устройства» в рамках лабораторного практикума для исследования свойств акустооптической дифракции, а именно: дисперсии, перестроечной функции, хроматического сдвига и нарушения условия синхронизма. В рамках занятий также рассматриваются возможности воспроизведения цветов, близких к цветовому локусу и методы расчета координат цвета излучения. Использование результатов работы подтверждено актом о внедрении.

Результаты диссертационной работы легли в основу разработки прототипа акустооптической системы цветовоспроизведения широкого цветового охвата, которую планируется использовать для решения колориметрических и биофизических задач в НТЦ УП РАН, что подтверждено актом об использовании.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оптической системы некогерентного перестраиваемого источника воспроизведения цвета с применением акустооптической фильтрации»

Апробация работы

Результаты работы были представлены на следующих российских и международных конференциях:

• Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2020, 2021, 2022).

• Конгресс молодых ученых (КМУ) (2020, 2021, 2022, 2023).

• IV Международная конференция "Информационные технологии и технологии коммуникаций. Современные достижения", (2020).

• SPIE/COS Photonics Asia Digital Forum (2020).

• High-brightness Sources and Light-driven Interactions Congress (2020).

• Двадцать седьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (2021).

• Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (2021, 2023).

• Международная конференция "Информационные технологии и технические средства управления", ICCT (2022, 2021).

• Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», ARMIMP (2022).

Личный вклад автора

Все приведенные в работе расчеты оптических элементов, их моделирование, выполнение и обработка экспериментальных данных выполнены лично соискателем, либо при его определяющем участии. Автор выражает свою

благодарность соавторам, в особенности, сотрудникам Университета ИТМО Жуковой Татьяне Ивановне, за помощь в реализации программной модели АОФ, Горбуновой Елене Васильевне, за помощь в разработке алгоритма определения интенсивностей базовых спектральных компонентов, сотрудникам НТЦ УП РАН Мачихину Александру Сергеевичу и Батшеву Владиславу Игоревичу за консультацию в разработке систем с АОФ и предоставление возможности работы на оборудовании. Экспериментальная часть исследования выполнена на базе НТЦ УП РАН.

Публикации

Основной результат изложен в 10 публикациях, 7 из которых входят в базу данных Web of Science и Scopus, 3 - в базу данных РИНЦ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации, включая реферат, изложен на 298 страницах, содержит 74 рисунка, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 113 наименований, 5 приложений.

Основное содержание работы

Введение отражает актуальность разработки некогерентного перестраиваемого источника, позволяющего сформировать набор цифровых эталонов в пределах значительного цветового охвата. Воспроизведение цвета, прежде всего, востребовано в области калибровки приборов. Другие области, где востребовано воспроизведение заданного цвета с требуемой точностью -биомедицина, офтальмология, психофизиология, маркетинговые исследования и т.д.

Первая глава посвящена обзору способов воспроизведения цветов в пределах широкого цветового охвата и существующих аналогов перестраиваемого источника, позволяющих воспроизводить заданный цвет. Рассмотрены способы

описания цветов и цветовых пространств и расчета интенсивностей базовых спектральных компонентов по заданным цветовым координатам.

По результатам анализа способов воспроизведения цвета можно выделить следующие:

• воспроизведение цвета красками/пигментами (субтрактивный способ);

• воспроизведение цвета спектральным составом излучения (субтрактивный -при использовании светофильтров и аддитивный - при использовании источников с разным спектральным составом).

Первый способ воспроизведения не позволяет репродуцировать цвета во всем спектральном диапазоне чувствительности глаза. Кроме того, характеристики материальных носителей постепенно изменяются под влиянием внешних факторов, что отражается на точности калибровки спектральных приборов и оценке исследований.

Второй способ позволяет воспроизводить цвета в пределах более широкого цветового охвата. К этой группе методов можно отнести следующие:

• использование сменных светофильтров, например турели светофильтров (механический способ перестройки);

• смешение излучения источников с разным спектральным составом;

• использование перестраиваемого по спектру источника, например, перестраиваемого лазера;

• применение источника с широким спектральным диапазоном (например, галогенная лампа, суперконтинуум) вместе с перестраиваемым фильтром. Обеспечиваемый цветовой охват, то есть диапазон воспроизводимых цветов,

определяется количеством выделенных спектральных линий, их шириной и энергетической мощностью. Для воспроизведения цветов, приближенных к цветовому локусу (чистым цветам), требуется, чтобы базовые компоненты были монохроматическими. При воспроизведении цвета нужно принимать во внимание допустимую погрешность воспроизведения цвета, которая оценивается с учетом чувствительности глаза: например, при исследовании цветового зрения необходимо обеспечить погрешность не хуже порога цветоразличения.

Перечисленные выше способы спектральной перестройки не позволяют воспроизводить цвета в пределах цветового охвата, приближенного к CIE xyz цветовому пространству и управлять цветовым охватом без изменения оптической схемы или ее спектральных компонентов. То есть, главным недостатком существующих способов воспроизведения цвета является небольшой цветовой охват из-за малого количества спектральных компонентов, а также из-за конечной ширины спектральной линии этих компонентов.

Таким образом, для возможности репродуцирования цвета во всем диапазоне чувствительности глаза с требуемой погрешностью, источник должен обеспечивать управление вышеперечисленными характеристиками.

Обзор литературы показал, что в настоящее время ни один из существующих перестраиваемых источников не позволяет одновременно управлять количеством, положением, шириной и интенсивностью спектральных линий.

Воспроизведение цвета во всем цветовом пространстве xyz со спектральными компонентами, близкими к монохроматическим (чистым) цветам, может обеспечить устройство на базе акустооптического фильтра (АОФ). При использовании АОФ возможно выделить узкую спектральную линию (порядка 3-6 нм). Применение АОФ с частотной модуляцией сигнала в схеме с широкополосным излучением источника позволяет изменять длину волны опорных цветов, образующих область цветового охвата. Независимое управление спектральными компонентами в этом случае дает возможность не только воспроизводить цвет с высокой точностью и скоростью, но и управлять цветовым охватом за счет перестройки базовых спектральных компонентов.

Способ управления спектральным составом цвета представлен на рисунке 1. Способ реализуется с помощью АОФ и присоединенного к нему пьезоэлектрического преобразователя. Когда на преобразователь подаются электрические сигналы, он генерирует ультразвуковые волны, распространяющиеся через кристалл. Эти волны модулируют показатель преломления и тем самым формируют трехмерную дифракционную решетку. Простейшая решетка формируется при применении одной акустической частоты f0. При выполнении условий фазового синхронизма Брэгга имеет

место только первый порядок дифракции, и функция пропускания АОФ описывается квадратом функции sin(c): T(Á) ~ sin(c)2((Á-Áo)/dÁ), где Áo ~ 1//0, дХ ~ Áo2. Интенсивность дифрагировавшего света пропорциональна акустической мощности P, излучаемой преобразователем. Если N частот f (j = 1, 2 ... N) подаются одновременно, то функция пропускания T(A) представляет собой сумму передаточных функций Т(Л-ЛД определяемых каждой из них. Варьируя значения N, fj и Pj, можно точно настроить положение Áj и интенсивность Ij выделенных спектральных линий, то есть настроить цветовой охват.

Выбранный цвет Воспроизведенный цвет

Рисунок 1 - Управление спектральным составом цвета с использованием АОФ

Количество выбранных полос N определяет палитру доступных цветов. Если АОФ работает в двухчастотном режиме, то воспроизводимые цвета лежат на отрезке линии между точками, определяемыми A и A2 (рис. 2а). Подбор соотношения мощностей P1/P2, т. е. интенсивности I1/I2, позволяет точно воспроизвести конкретный цвет на отрезке. Если АОФ выделяет одновременно 3, 4 и более спектральных линий, то доступный диапазон в CIE 1931 описывается треугольником (рис. 2б), четырехугольником (рис. 2в) или многоугольником с большим количеством вершин, определяемых выбранными длинами волн Aj, т.е. частотами fj. Относительные интенсивности Ij световых пучков в этом случае должны быть

законом центра тяжести и, следовательно, акустическая мощность р должна быть скорректирована соответствующим образом.

а) б) в)

Рисунок 2 - Цветовые области в пространстве CIE 1931 при использовании АОФ, работающей а) в двух-, б) трех- и в) четырехчастотном режимах

Таким образом, основными достоинствами систем с использованием АОФ являются: отсутствие подвижных элементов в системе, цифровой способ управления спектральными характеристиками источника и возможность выделения нескольких длин волн. Однако, такая фильтрация имеет ряд существенных недостатков, которые необходимо учитывать при разработке приборов на базе АО фильтра:

• рабочий спектральный диапазон ограничен одной октавой (450-850 нм);

• апертура АО фильтра, как правило, составляет 10-11 мм;

• угловая апертура, в которой происходит эффективная дифракция, составляет 5°.

Во второй главе рассматривается вопрос моделирования акустооптической дифракции и работы математических моделей АОФ в составе программного обеспечения для проектирования оптики. Для этого необходима разработка алгоритма расчета хода луча через АОФ, учитывающего двулучепреломление в кристалле, разделение луча на компоненты при Брэгговской дифракции, а также эффективность дифракции. Встраивание разработанной модели и алгоритма в состав программного обеспечения, используемого для разработки оптических систем приборов (Zemax Optic Studio), позволяет выполнить корректное моделирование

оптической системы источника в режиме непоследовательной трассировки луча и верифицировать результаты теоретических оценок.

Получить точные данные об акустооптической дифракции можно, используя математический программный комплекс, например, МаНаЬ, МаШсаё. Однако, в специализированном программном обеспечении, используемом при расчете оптических систем, нет возможности непосредственно учитывать свойства акустооптической дифракции. Для введения в модель оптической системы учета таких объектов необходимо внедрить их математическое описание в программу.

АОФ представляет собой кристалл, в котором с помощью ультразвуковой волны создается объемная дифракционная решетка. Такая дифракция представляет собой дифракцию Брегга, где обыкновенно поляризованный свет становится поляризованным необыкновенно и отклоняется в сторону. Дифракция происходит лишь в узком спектральном диапазоне, что позволяет использовать данный эффект для фильтрации оптического излучения. Углы отклонения ф для меридионального сечения для двух состояний поляризации излучения описываются формулами (1), (2):

<Р 1

агс1ап

£■ £Ш в1 —£П1 у±

.(£СОБд1—}]е^0С.О8 У1)2+ 2 ?;е_0£СО£ СОБ 1 —СОб((?2—Кг))

](2)

Где: ц - коэффициент связи с учетом разных состояний поляризации, е - значение величины двулучепреломления кристалла,

угол падения луча на АОФ для меридионального сечения, в2- угол падения луча на АОФ для сагиттального сечения, У1 ~ Угол среза грани АОФ для меридионального сечения, у2 - угол среза грани АОФ для сагиттального сечения.

В рассматриваемом случае углы отклонения для сагиттального сечения не учитываются, так как они крайне малы.

Как можно видеть из формул (1)-(2), при дифракции в АОФ пучки 1 и -1 порядка дифракции отличаются по поляризации. Недифрагированные пучки также имеют разную линейную поляризацию, однако угол отклонения с учетом двулучепреломления в кристалле крайне мал и можно считать, что они накладываются друг на друга (рис. 3).

Рисунок 3 - Дифракция неполяризованного излучения на АОФ

Одной из важных особенностей акустооптического взаимодействия высокочастотного сигнала (акустической волны) с излучением является зависимость эффективности дифракции от угла падения пучка. Эффективность дифракции можно описать формулой:

Т = (ГЬ)2 • зтс;

Г2 + Г| ,

V 2

(3)

где : п = ^, где Ь - длина пьезопреобразователя,

Ак - волновая расстройка.

Эффективность дифракции (формула 3) для выбранного направления распространения света высока (в среднем около 90% в пределах спектрального диапазона работы). Это направление определяется геометрией акустооптического взаимодействия, то есть ориентацией кристаллографических осей и направлением

распространения звука. Для других направлений распространения света эффективность дифракции значительно уменьшается.

Таким образом, можно выделить следующие основные характеристики, которые важны при расчете систем с применением АОФ:

• угол отклонения при разделении луча на компоненты при Брэгговской дифракции оптического излучения на акустической волне;

• эффективность дифракции;

• изменение состояния поляризации при дифракции обыкновенно и необыкновенно поляризованных лучей в АОФ;

• двулучепреломление.

Моделирование акустооптической дифракции с целью учета свойств подобных устройств при проектировании приборов является нетривиальной задачей, поскольку требует одновременного учета множества особенностей АОФ. Для моделирования осветительной системы с АО дифракцией необходимо разработать объект, который воспроизводил бы особенности такой дифракции: углы отклонения дифрагированных лучей в рабочих порядках при различных углах их падения и разных длинах волн, эффективность дифракции, а также состояние поляризации, зависящее от порядка дифракции.

Описание акустооптической дифракции с использованием стандартной геометрической теории дифракции практически невозможно, поэтому описать такую дифракцию с помощью стандартных объектов, уже внедренных в функционал программ для проектирования оптики, не представляется возможным. Наиболее широко используемой программой для проектирования оптических систем приборов является 7ешах, работа в котором с АОФ возможна как в режиме последовательной трассировки, так и в режиме непоследовательной трассировки луча. Последовательный режим расчета хода луча, как правило, применяется при моделировании и расчете изображающих систем, в том числе с использованием АОФ. Непоследовательный режим удобен для оценки энергетических соотношений в системе и позволяет учитывать сложную структуру источника излучения, используемого в системе.

При проектировании осветительных систем чаще всего требуется оценивать светоэнергетические и спектральные характеристики. В случае проектирования оптической осветительной системы с применением АОФ необходимо анализировать энергетические характеристики, зависящие от эффективности дифракции, пропускание, состояние поляризации, распределение энергии по изображению и др. Эти параметры лучше всего оценивать в режиме непоследовательной трассировки луча. Поэтому алгоритм расчета хода луча через АОФ, учитывающий свойства акустооптической дифракции, разрабатывался для этого режима. В этом режиме описываются объекты, а не поверхности; дифракционные свойства, включая эффективность дифракции, описываются путем определения дополнительных свойств на поверхности этого объекта с помощью отдельного кода. Этот код должен учитывать углы отклонения лучей относительно оптической оси при дифракции, поляризационные свойства дифрагированных лучей и их интенсивность. Объект, имитирующий форму АОФ и дополнительный код, описывающий дифракцию, является пользовательским объектом, встраиваемым в программное обеспечение Zemax.

В соответствии с этими требованиями и особенностями работы программного обеспечения Zemax Optic Studio был разработан алгоритм и программный код на языке С++, позволяющий моделировать акустооптическую дифракцию в режиме непоследовательной трассировки луча. Разработанный модуль позволяет определять углы отклонения лучей для +1, 0 и -1 порядков дифракции с учетом геометрии кристалла, состояния поляризации, двулучепреломления и дисперсии в среде парателлурита, а также учитывать эффективность дифракции.

Для верификации программного кода в среде проектирования оптических систем Zemax была построена тестовая схема с использованием пользовательского объекта АОФ, в который включен учет изменения поляризации при дифракции: как видно на рисунке 4, на детектор 1 приходит пучки от 0, +1 порядка, а на детектор 2 - пучки от 0 и -1 порядка.

Рисунок 4 - АО дифракция коллимированного пучка лучей в непоследовательном

режиме с учетом поляризации при дифракции

Разработанные модули позволяют учитывать основные параметры акустооптической дифракции при проектировании оптических систем в программе 7етах. Это позволяет определять аберрации, вносимые АОФ и светоэнергетические характеристики для более глубокого и точного анализа осветительных систем с АОФ.

В третьей главе рассматриваются особенности организации оптической осветительной системы с высоким коэффициентом использования светового потока, согласованной с АОФ и обеспечивающей равномерное распределение цвета по сечению пучка.

При разработке прибора на базе АОФ требуется принимать во внимание специфические особенности акустооптического кристалла. К ним относятся: угловая апертура АОФ, в пределах которой происходит эффективная дифракция, составляющая примерно 5°; размер площади входной и выходной граней кристалла, обычно не превышающий 11*11 мм2; двулучепреломление и состояние поляризации. Эффективность ввода светового потока в АОФ будет зависеть от степени согласования углов падения лучей в пучке с углами, в пределах которых происходит дифракция в АОФ. Этот параметр будет определять достижимую яркость источника и ширину выделенной спектральной линии. При разработке

оптической системы источника необходимо обеспечить согласованность спектральных диапазонов АОФ и источника и малые габариты оптической системы.

При проектировании систем с применением АОФ используют принципиальные схемы с конфокальным и параллельным ходом лучей. Наиболее часто применяют схему с конфокальным ходом луча, где АОФ вносит минимальный аберрационный вклад. Схемы с параллельным ходом луча в изображающих системах с АОФ применяется крайне редко, поскольку в такой схеме фильтр вносит более заметные аберрации, такие как хроматизм и дисторсия. В качестве базовой схемы для построения источника с использованием АОФ была выбрана схема с параллельным ходом лучей: при ограниченных размерах АОФ, с учетом эффективной апертуры дифракции эта схема обеспечит компактные размеры устройства (длина системы вдоль оси не более 250 мм). Кроме того, выполненные расчеты, теоретические оценки, моделирование и эксперименты показали, что этот вариант схемы является наиболее эффективным с точки зрения использования светового потока.

В качестве источника излучения можно использовать как галогенную лампу, так и светодиодный источник света, обеспечивающий широкий спектр. Оптимальной осветительной системой для работы со светодиодом является линза на основе полного внутреннего отражения (ПВО), представляющая собой комбинацию оптических элементов, работающих с разными зонами пучка. Такой оптический элемент обеспечивает высокий коэффициент использования светового потока (до 30%) за счет оптимального согласования параметров формируемого излучения с параметрами АОФ, работающего в параллельном ходе лучей (рис. 5).

Для повышения светоэффективности систем с применением АОФ предлагается объединить излучения в пучках +1 и -1 порядков дифракции с применением поляризационного светоделительного кубика или разветвленного оптоволоконного жгута (рис. 5).

Рисунок 5 - Принципиальная оптическая схема с параллельным ходом лучей с компенсацией хроматического сдвига в пучке +1 порядка дифракции

При объединении пучков +1 и -1 порядков дифракции может наблюдаться неравномерность цвета по сечению пучка из-за высокой дисперсии в кристалле АОФ. Как правило, выходную грань кристалла выполняют наклонной - это позволяет скомпенсировать хроматический сдвиг в одном из дифрагированных пучков, однако, это приводит к увеличению хроматического сдвига в другом порядке дифракции (рис. 5). Поэтому для компенсации хроматического сдвига в случае использования АОФ с наклонной выходной гранью можно использовать призменный оптический элемент, компенсирующий хроматический сдвиг для пучка +1 или -1 порядка дифракции (рис. 5).

Таким образом, схема с параллельным ходом луча, где для коллимации излучения широкополосного светодиодного источника используется линза на основе ПВО, а пучки +1 и -1 порядков дифракции объединяются с использованием волоконного или призменного элемента, позволяет обеспечить как высокую эффективность использования светового потока, так и небольшие габариты устройства.

В четвертой главе рассматривается задача синтеза цвета по заданным координатам цветности, оценка цветового охвата перестраиваемого источника с использованием АОФ, а также точность воспроизведения.

Поскольку цветовые координаты репродуцируемого цвета могут быть синтезированы за счет разного спектрального состава, то необходимо рассмотреть

вопрос оптимального выбора опорных компонентов при использовании АОФ и влияние его характеристик на результаты синтеза цвета.

Важнейшими характеристиками прибора для воспроизведения заданного цвета являются: цветовой охват, которой определяется, в том числе, спектральным диапазоном перестройки устройства, точность и стабильность воспроизведения цвета.

Установка на основе АОФ, в которой реализован параллельный ход луча, для исследования особенностей управления координатами цвета и точности воспроизведения, показана на рисунке 6. В этой схеме линза L1 коллимирует свет от источника света LS (галогенная лампа), на поляризаторе Р1 излучение становится линейно поляризованным и далее дифрагирует в АОФ. Поляризатор Р2 выделяет пучок, соответствующий +1 порядку дифракции. Пучок +1 порядка дифракции фокусируется линзой L2, после которой установлен светоделительный кубик BS, разделяющий этот пучок на два в соотношении 50/50, один из которых регистрируется спектрометром SP, а второй - цветной камерой САМ.

12 ВБ САМ

I 5Р /

А1 \г Аз А

Рисунок 6 - Схема установки

Управление цветом реализуется за счет АОФ с частотной модуляцией сигнала, позволяющей изменять длины волн опорных цветов. Независимое управление спектральными компонентами в этом случае дает возможность не только воспроизводить цвет с высокой точностью и скоростью, но и управлять цветовым охватом за счет перестройки базовых спектральных компонентов.

Большинство широкополосных источников видимого излучения имеют низкую интенсивность в синей области спектра. Это фактор может ограничивать диапазон воспроизводимых цветов. Следует отметить, что при изготовлении АОФ настраивается коэффициент стоячей волны (КСВ) таким образом, чтобы он был не более 3 единиц, однако, на разных отрезках функция КСВ имеет разные значения. В случае применения АОФ для фильтрации широкополосного источника и последующего воспроизведения цвета следует использовать АОФ с низким КСВ в синей области спектра, что позволит увеличить цветовой охват и воспроизводить цвета со спектральными компонентам в синей области.

Для оценки цветового охвата и выбора длин волн для воспроизведения цвета, важно оценить спектры пропускания в пределах рабочего диапазона перестройки используемого АОФ. Спектры пропускания (характерные для данного АОФ) необходимо использовать при расчете координат цветности, в этом случае цветовой охват при использовании выбранного АОФ будет приближен к цветовому локусу (рис. 7). Таким образом, при выделении одной длины волны координаты цветности будут приближены к цветовому локусу (чистому цвету).

В ходе эксперимента было определено, что форма спектральной кривой пропускания изменяется в зависимости от выделяемой длины волны, поэтому для достижения высокой точности воспроизведения цвета требуется учитывать спектр пропускания АОФ для конкретной длины волны в пределах рабочего диапазона, а также особенности мультичастотной акустооптической дифракции.

На рисунке 7 приведены отклонения координат цветности от заданных значений с учетом особенной АО дифракции для двух длин волн и трех длин волн. Если при определении цвета не учитывать особенности спектральной кривой АОФ, то есть пренебречь вторичными максимумами, то отклонения синтезированного цвета от заданного будут значительно больше: отклонения Ах, Ду будут выше допустимых отклонений по ГОСТ 8.205-2014.

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

-•-Цветовой охвс атху С1Е 193 г.

1 X Вс эспроизводи мый цвет

д Кс ДЕ эординаты цветности по; вумя спектральными лин 1ученные иями

^ • Координаты цветности по; тремя спектральными лин V л. 1ученные иями

К А X Хх > »V V V X Ч Х-

X V ^ * X

\ <х. X) < -X ч

*

0,1 0,2 0,3 0,4

X

0,5 0,6

0,7

0,8

Рисунок 7 - Координаты цветности при воспроизведении цветов двумя и тремя спектральными компонентами, вычисленные с учетом особенностей

акустооптической дифракции

Таким образом, при выборе спектральных компонентов и расчете их относительных интенсивностей для воспроизведения требуемого цвета нужно учитывать спектральный состав используемого источника, спектр пропускания конкретного АОФ, КСВ, перестроечную кривую. С учетом проведенных исследований можно предложить следующий алгоритм выбора спектрального состава для воспроизведения цвета (рис. 8).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Беляева Алина Сергеевна, 2023 год

источников

В данном случае, кроме получения суммарного потока источника необходимо стремиться к тому, чтобы спектральный контур не имел выраженных максимумов и минимумов: в этом случае при выделении узкого участка спектральный ряд не будет прерываться. Поэтому вариант с равномерным излучением в пределах заданного диапазона длин волн является наиболее предпочтительным.

3 светодиода и галогенная лампа -1 светодиод и галогенная лампа

/ICI IVI1 ICI 9 светодиодов

Оценка эффективности для рассмотренных систем представлена в таблице 5. Наиболее эффективная система из набора узкополосных светодиодов обеспечивает световой поток порядка 280-300 лм, однако невозможно получить ровную спектральную кривую, помимо этого она является сложной и дорогостоящей, поскольку необходимо использование 8 дихроичных светоделителей. Световой поток для системы, состоящей из 3 светодиодов и 1 галогенной лампы, составляет порядка 250 лм, а из 1 белого светодиода и 1 галогенной лампы 230 лм. При моделировании использовались спектры пропускания и отражения готовых дихроичных фильтров с границей среза на длинах волн 480, 510, 640, 677, 705, 757, 800 и 830 нм [ 107]. Хотя система из двух источников имеет наименьший световой поток, она является оптимальной, так как спектральный контур более плавный, чем у остальных вариантов, а кроме того, имеет малые габариты.

Таблица 5. Сравнение эффективности систем

Источник Вид оптической системы Суммарный световой поток используемых источников, Лм Эффективность осветительной системы, % Полный световой поток, Лм

Светодиод Линзовый конденсор «150 31,5 47,5

Линза на основе полного внутреннего отражения 30 45

Рефлектор 22 39

15 22,5

Матрица телескопических систем

Клинья 20 30

Система зеркал

Спектральная комбинация «900 20-30 180-270

Галогенная лампа Рефлектор 600-870 10 87

Светодиод(ы) и галогенная лампа Спектральная комбинация «900 20-25 180-225

По результатам выполненных расчетов и анализа, наибольшую эффективность обеспечивает система с линзой на основе полного внутреннего отражения (ПВО). В данном случае при использовании светодиода CREE XLamp XQ-E High Intensity [96] можно обеспечить расходимость пучка после линзы 201/2= 7° при диаметре линзы 20 мм и длине 15 мм (рис. 40), а коэффициент использования светового потока в такой системе составляет до 30%.

а)

I

№

б)

Рисунок 40 - Результаты моделирования акустооптической дифракции а) в схеме с параллельным ходом луча, б) картина на детекторе при использовании линзы на основе ПВО в осветительной части

Экспериментальная проверка эффективности системы с параллельным ходом луча проводилась в установке, в которой вместо разработанной выше линзы был подобран вариант готовой оптики фирмы Carclo Optics 10412 [108], обеспечивающей расходимость пучка 201/2= 16.9о. Очевидно, из-за отличия характеристик линзы от расчетного варианта эффективность такой системы будет невелика - по результатам расчета эффективность использования светового потока составила 1.8%. При этом, в такой схеме выбор расстояния воздушного промежутка между линзой и ячейкой существенно влияет на угол падения лучей на АОФ, что является главным недостатком. Поэтому для того, чтобы порядки не накладывались друг на друга необходимо расположить

АОФ на расстоянии 130 мм от линзы, а длина всей системы составляет 250 мм (рис. 41).

Рисунок 41 - Моделирование системы паралельного хода луча с готовой

линзой Carolo Optics

Макет, собранный на основе схемы с параллельным ходом луча, показан на рис. 42.

Рисунок 42 - Экспериментальная установка для измерения мощности в разных порядках дифракции в схеме с параллельным ходом луча

Следует отметить, что в системе наблюдается неравномерность распределения энергии в пятне, обусловленная особенностями работы линзы на основе ПВО. Кроме того, нет возможности контролировать расходимость пучка отдельным оптическим элементом. Условия проведения эксперимента в данном случае были те же, что и в схеме с конфокальным ходом луча. Измеренная энергия в дифракционных порядках представлена в табл. 6.

Таблица 6. Измерение мощности в пучках в параллельном ходе луча, соответствующих 1 и -1 порядкам дифракции на разных длинах волн

Длина волны (нм) Мощность в 1 порядке Р1 (мВт) Мощность в -1 порядке Р-1(мВт) Суммарная мощность порядков Р1+Р-1 (мВт)

450 0,03 0,03 0,06

550 0,02 0,02 0,04

650 0,01 0,01 0,02

Таким образом, схема с параллельным ходом луча при использовании соответствующим образом разработанной линзы на основе ПВО для работы с миниатюрным мощным светодиодом белого свечения обеспечивает возможность получения эффективности до 30 % при объединении обоих порядков (1 и -1).

3.4. Анализ особенностей схем при использовании 1 и -1 порядков

дифракции

Анализ показал, что для проектирования осветительной оптической системы с точки зрения эффективности и габаритов лучшим вариантом является система с параллельным ходом луча. Использование линзы на основе ПВО, представляющей собой комбинацию оптических элементов, работающих с разными зонами пучка, позволяет направить на ячейку лучи с малым углом расходимости.

Однако, для некоторых случаев требуется не только воспроизведение заданного цвета по спектру, но также и обеспечение равномерности цветового поля, как, например, в установках для исследования цветового воспроятия зрительного стимула [13].

Один из способов увеличить равномерность - установка молочного стекла после источника. Пример использования такого способа схематично изображен на рисунке 43.

Волоконный выход галогенной лампы

Молочное стекло

Рисунок 43 - Схема установки с использованием галогенной лампы с

волоконным выходом

На рисунке 44 показаны изображения светового пятна в установке с источником излучения - галогенной лампой с волоконным выходом в случае использования матового стекла (рис. 44 б, г) и без него (рис. 44 а,в): при применении молочного стекла пятна становятся более равномерными по цвету (рис. 44 б, г). Изменения яркости пучка без молочного стекла и с молочным стеклом в схеме можно определить программным способом с помощью программ Matlab, Mathcad или программ для работы с изображениями: PSFa, Photoshop. В этом случае определяется освещенность в пикселе, а также возможно усреднить освещенность в изображении по полю и сравнить их значения для двух случаев, при этом параметры источника и камеры должны быть неизменны при съемке. Освещенность по полю становится в 2 раза меньше из-за рассеяния пучка на матовом стекле.

а) б)

в) г)

Рисунок 44 - Распределение освещенности по полю после волоконного выхода: а) без матового стекла для -1 порядка, б) с матовым стеклом для -1 порядка, в) без матового стекла для 1 порядка, г) с матовым стеклом для 1

порядка

К недостаткам применения матового стекла относится, прежде всего, уменьшение яркости, поэтому для сохранения высокой эффективности источника необходимо использовать другие способы, одним из которых может являться одновременное использования рабочих порядков дифракции. При этом необходимо учитывать пространственное расположение как дифрагированных (1 и -1), так и недифрагированных (0) порядков. Кроме того, на углы отклонения пучков после АОФ для разных длин волн влияет дисперсия в материале (парателлурита) и двулучепреломление в кристалле. При объединении порядков в зависимости от выбранного способа также может играть роль и различная поляризация в пучках рабочих порядков.

Существует несколько способов повышения эффективности за счет объединения порядков:

- использование двух АОФ (рис. 45),

- использование АОФ со специальной геометрией (рис. 46) [81]

- волокно с разветвлением,

- поляризационный светоделитель.

В схеме с двумя АОФ, показанной на рисунке 45, можно выделить два способа [А.6]:

1) Использование двух фильтров в одном, из которых будет дифрагировать из «о»^-«е» (из обыкновенно в необыкновенно поляризованные световые пучки), а в другом из "е"^"о" (рис. 46 а). Пучок широкополосного неполяризованного света разделяется на два пучка поляризационным светоделительным кубиком. Далее один из пучков, соответствующий «о» поляризации, дифрагирует в первом АОФ, а второй пучок, соответствующий «е» поляризации, дифрагирует во втором АОФ. Поляризаторы, расположенные после АОФ-ов, отделяют 1 и -1 порядки дифракции от 0-х. Поскольку дифрагировавшие пучки в АОФ-ах будут иметь разную поляризацию. Их объединение происходит с помощью поляризационного светоделительного кубика. В этом случае будет наблюдаться смещение по длинам волн и интенсивностям в разных порядках дифракции.

2) Использование двух фильтров, в которых пучки будут дифрагировать из «о»^-«е» (из обыкновенно в необыкновенно поляризованные световые пучки). Пучок широкополосного неполяризованного света разделяется на два пучка поляризационным светоделительным кубиком, далее один из пучков меняет угол плоскости поляризации с помощью пластины Л/2, таким образом угол плоскости поляризации для обоих пучков становиться одинаковым. Далее пучки дифрагируют в АОФ-ах, поляризатор, расположенный после АОФ-ов, отделяет пучки, соответствующие 1-ым порядкам дифракции от пучков соответствующих 0-ым порядкам дифракции. Для возможности пространственно объединить дифрагировавшие пучки необходимо повернуть угол плоскости поляризации одного. Из пучка и далее объединить их

поляризационным светоделительным кубиком. В такой схеме отсутствует смещение по длинам волн, а интенсивности будут отличаться незначительно (вследствие рассеяния и переотражения света на оптических элементах).

Наличие большого числа оптических компонентов приводит к уменьшению светового потока в системе из-за поглощения и рассеяния в материале. Кроме того, такая система будет иметь высокую себестоимость из-за наличия двух АОФ-ов и дополнительных оптических элементов, таких как волновые пластины, светоделительные кубики.

а)

б)

Рисунок 45 - Схема увеличения светового потока двумя АОФ: а) базовая схема с двумя АОФ б) схема с дополнительными полуволновыми

пластинами

Использование АОФ специальной геометрии применяется в стереоскопических системах. Геометрия ячейки и вспомогательных клиновых (призменных) элементов выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась одновременная дифракция двух пучков, падающих на объемную дифракционную решетку в направлениях, соответствующих осям кристалла. Например, в схеме, приведенной на рис. 46, в результате дифракции двух пучков на АОФ сложной формы при угле среза у= 12° формируются два пучка для двух каналов стереоэндоскопа с углами дифракции 01 « 61.5°, 02 « 14.3°. [81]. В такой схеме часть системы, содержащая источник излучения и согласующую оптику, направляющую пучки на АОФ, может быть построена по схемам, рассмотренным выше. Однако, требуется разделение пучка лучей от источника на два канала, отличающихся по поляризации, как и на схеме на рис. 56. Кроме того, эффективность такой системы гораздо ниже по сравнению с использованием двух АОФ, поскольку эффективность дифракции с такой геометрией АОФ для угла 02 будет гораздо ниже, чем для 01.

Поляризатор

Зеркало

Рисунок 46 - Схема увеличения светового потока с использованием

разных осей кристалла

Поэтому для реализации перестраиваемого источника с применением АОФ и сохранением компактности и относительно простой структуры, следует использовать стандартную геометрию АОФ и рассмотреть возможность увеличения эффективности системы за счет применения

оптических элементов, обеспечивающих объединение 1 и -1 порядков дифракции. Такими элементами могут являться оптоволокно и светоделители [А.7].

Для сравнительной характеристики свойств системы были выполнены расчеты и моделирование системы с оптоволокном и поляризационным светоделителем.

Волоконные жгуты имеют различные конфигурации, в которых разделение каналов выполняется за счет физического разъединения общего волоконного жгута. Такие элементы применяются как зонды в спектроскопии, эндоскопии или в качестве волоконного выхода в галогенных лампах [109].

Подобный волоконный элемент с разделением на два канала может быть использован в схеме перестраиваемого источника. В оптической системе с волоконным разветвителем концы оптоволокна располагаются в фокусе оптической системы таким образом, чтобы на вход попадали только пучки 1 и -1 порядков дифракции. Объединение двух оптоволоконных жгутов в один позволяет смешать пучки от 1 и -1 порядков дифракции в один, при этом размер объединенного пучка увеличивается в два раза по сравнению с исходным размером пучков (рис. 47).

1 п. 0 п. -1 п. 1 п. -1 п. 1 и-1 п.

Рисунок 47 - Принципиальная схема системы с разветвленным

оптоволокном

Система с разветвленным волоконным жгутом была смоделирована в Zemax Optic Studio в составе с пользовательским объектом АОФ. На рисунке 48 представлен фрагмент оптической системы, объединяющей пучки 1 и -1

порядков дифракции. Параметры раздвоенного оптоволокна (Dual Branch Light Guides) были смоделированы в соответствии с характеристиками стандартного компонента фирмы Edmund. В Zemax Optics Studio волоконный жгут задавался как составная система из 3 сегментов с помощью встроенных объектов:

- объектом «cylinder volume» выполнялось моделирование двух жгутов, в которых фокусировались пучки и в которых происходило их смешение. Такое расположение концов оптоволоконного жгута позволяет отделить дифрагировавшие пучки от недифрагировавших. Объединение и смешение пучков происходит в третьем сегменте волоконного жгута;

- «torus volume» был применен для моделирования изогнутой под нужным углом части волоконного жгута.

Светоэнергетические параметры и форма пучков оценивались в разных положениях в системе. Визуализация формы и цвета пучка в системе представлена на рисунке 48.

Рисунок 48 - Моделирование оптической системы с оптоволокном

Еще одиним способом объединения пучков 1 и -1 порядков дифракции является объединение поляризационным светоделителем. Для возможности объединения только дифрагировавших пучков необходимо предварительно отделить дифрагировавшие пучки от недефрагировавших с помощью дифрагмы с двумя отверстиями (рис. 49).

Диафрагма

Светоделитель

Линза ПВО АОФ Ьес1 ^^^т с

Линза

1

-- Ух-- /

Зеркало

Рисунок 49- Принципиальная схема системы с поляризационным

светоделителем

Фрагмент оптической системы, объединяющей порядки дифракции по поляризации, представлен на рисунке 50. При такой схеме диаметр объединенных пучков соответствует диаметру исходных пучков (диаметр пучка не изменяется).

Рисунок 50 - Принципиальная схема системы с поляризационным

светоделителем

Вариант конструктивного исполнения схем, обеспечивающих объединение порядков дифракции с использованием оптоволоконного жгута представлен на рисунке 51а, с помощью объединения по поляризации - на рисунке 51б.

Линза ПВО

Линза

Разветвленный волоконный жгут

а)

/VI/VI

Светоделительный кубик

■ . \ -»•, ' • • , ... ' • » , ...

\ - ^ ^ - с, >:

Линза ПВО

АОФ

Линза

Диафрагма

Зеркало

б)

Рисунок 51 - 3D модель системы а) оптоволоконным жгутом, б) с поляризационным светоделителем

Оба варианты схем имеют практически одинаковую эффективность. Основная разница заключается в размере системы: как можно видеть из рисунка 52 система с волоконным выходом будет компактнее и включать меньшее число компонентов по сравнению с системой с поляризационным светоделителем. Однако, при использовании волоконного осветительного жгута распределение энергии в пучке на выходе системы будет иметь меньшую равномерность.

3.5. Оценка хроматических аберраций в системе

Перестраиваемый источник, прежде всего, используется для формирования заданного цвета, и в схеме с параллельным ходом луча, где дисперсия кристалла существенно влияет на отклонение пучков с разными длинами волн, необходимо оценивать хроматические аберрации элементов и пространственную однородность цвета.

Для определения хроматических аберраций в системе необходимо оценить хроматический вклад отдельных компонентов схемы:

• тонкая линза, используемая в качестве оптического элемента, отвечающего за направление пучка лучей от источника к АОФ, вносит хроматизм, который можно оценить по формуле [110].

- _ Г

^^ сИгом , (37)

Где: Г - заднее фокусное расстояние линзы; - число Аббе.

Хроматическая разность в угловой мере (в радианах) за линзой можно оценить, как:

> __£_ Р _ Р

А¥скгом = -у,2 Г ? =- 2ух Г - (38)

Где: D - размер АОФ

Линза на основе ПВО, используемая для коллимации пучка, вносит хроматизм, который можно оценить, выполнив трассировку луча для различных длин волн.

• Оценку хроматизма АОФ можно выполнить с помощью формул для определения углов отклонения луча у при различных длинах волн в пучках 1 и -1 порядков дифракции [54]. Для одной и той же длины волны угол отклонения будет зависеть от угла падения на ячейку и от состояния поляризации.

• Хроматизм в поперечной мере (в мм) для одиночной линзы, расположенной за ячейкой и отвечающей за согласование пучка на выходе из

ячейки и приемного устройства, например, волоконного жгута, при работе в схеме с параллельным ходом луча может быть оценен по формуле:

А/

2у

(39)

Для рассматриваемого случая можно выполнить численные оценки хроматизма:

• Если в качестве линзы используется конденсор с фокусным расстоянием 13 мм из материала ВК7, то хроматическая разность в угловой мере за линзой составляет 0.378°.

• При угле среза грани АОФ у =7 °, рассчитанном угле падения луча относительно оси кристалла 0, угол отклонения луча у будет зависеть от порядка дифракции и длины волны. С учетом хроматической разности от первого компонента лучи будут падать на входную грань ячейки под углами, отличающимися от номинального (нулевого) значения на величину Д0, поэтому угол отклонения лучей Ду будет иметь значение, отличное от начального (таблица 7).

Таблица 7. Углы отклонения порядков дифракции

X (нм) 450 625

Порядок 1 -1 1 -1

У (град.) 2.04 -1.96 1.92 -1.84

Ду (град.) 1.59 -2.38 1.52 -2.26

• Линза, стоящая за ячейкой, с фокусным расстоянием 50 мм из материала ВК7, будет иметь хроматизм Ду'сы-от2=0.09 мм.

Одновременное влияние хроматизма элементов может привести к изменению эффективности дифракции излучения в кристалле, кроме того, будет сложно пространственно совместить порядки дифракции на разных длинах волн.

3.5.1. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, построенная по схеме с параллельным ходом луча, показана на рисунке 53: в качестве элемента, работающего до АОФ, рассматривался вариант с линзой на основе ПВО и объективом с исправленным в первом приближении хроматизмом положения, установленным в качестве коллимирующего элемента [А.8].

Рисунок 53 - Схема параллельного хода луча с линзой на основе полного внутреннего отражения.

На рисунке 54 показаны результаты трассировки, полученные на детекторе, учитывающем спектральный состав (цвет) излучения, где наглядно видно, что при дифракции неполяризованного излучения один из наблюдаемых порядков дифракции будет иметь значительный хроматический сдвиг по сравнению с остальными порядками. В данном случае на детекторе (рисунок 54), кроме хроматических эффектов, видна неравномерность, обусловленная особенностями используемой линзы на ПВО. Рисунок 55 показывает относительное положение пятен порядков дифракции для разных длин волн для пучков 1, 0 и -1 порядков.

Рисунок 54 - Изображение порядков дифракции на длинах волн 450 и 625 нм, полученное в экспериментальной схеме

с

а>

> 0,5

га

ш

I

•450 500 550 600 •625

0 2 4 6 8 10 12 тт

Рисунок 55 - График расположения пучков 1, 0 и -1 порядков на детекторе при длинах волн в диапазоне 450-625 нм в схеме с параллельным

ходом луча с линзой ПВО

Схема с параллельным ходом луча с объективом с исправленным хроматизмом положения рассмотрена на рисунке 56.

с

си

> 0.5

си >

450 500 550 600 625

0 2 4 6 8 10 12 Х, тт

Рисунок 56 - График расположения пучков для 1, 0 и -1 порядков на детекторе при длинах волн в диапазоне 450-625 нм в схеме с параллельным

ходом луча с объективом

1

0

Для сравнительного анализа схемы с параллельным ходом луча с линзой и объективом были рассчитаны значения относительного сдвига порядков относительный сдвиг в системе с линзой составил 0.26, а в системе с объективом 0.18.

В этом случае хроматический сдвиг в пучке 1 порядка дифракции значительно больше, чем в пучке -1 порядка [А.9]. Это объясняется наклоном выходной грани кристалла АОФ, подобранным таким образом, чтобы был скомпенсирован хроматизм в одном из рабочих порядков. В случае использования пучков 1 и -1 порядков дифракции одновременно требуется учитывать хроматический сдвиг и при необходимости его компенсировать.

3.5.2. Способы коррекции хроматических аберраций в схеме с АОФ

Объединение порядков дифракции светоделительным кубиком или разветвленным оптоволоконным жгутом может обеспечить коррекцию хроматического сдвига только при диафрагмировании, то есть при срезании крайних зон соответствующего пучка, где наблюдается высокая неравномерность по цвету, однако, это будет приводить к уменьшению светового потока. При необходимости сохранить максимальную энергию пучка, то есть без дополнительного виньетирования, эти способы не обеспечат коррекцию хроматизма в одном из порядков дифракции.

Для коррекции хроматизма можно использовать дополнительные призменные элементы. Например, в статье [111] предлагается применять в качестве компенсатора хроматического сдвига призму из материала ВК7 с углами в основании призмы 46,57° и 46,62°. Такая призма обеспечивает компенсацию хроматизма для геометрии АОФ с выходной гранью ячейки, перпендикулярной оптической оси (рис. 57).

а)

б) в)

Рисунок 57 -Коррекции хроматического сдвига с АОФ с выходной гранью ячейки, перпендикулярной оптической оси: а) расположение призмы в схеме, б) хроматический сдвиг в плоскости 1, в) хроматический сдвиг в плоскости 2,

после призменного элемента

На рисунке 58 изображено положение пучков, соответствующих 1, 0, -1 порядкам дифракции для длин волн 450 и 650 нм, полученное при моделировании с дополнительной призмой. В качестве сопрягающего элемента использовалась линза на основе ПВО, то есть вариант, для которого в экспериментах и расчетах, описанных выше, были получены большие значения хроматического сдвига.

650 пт -450 пт

50

гм

<

т и 40

с

<и

т 30

_1

<и

и

с 20

(И

С

Е

10

>

Л л 1 -

¡¡¡¡г Ш ¥ \

_ г

-2-1012 X, тт

Рисунок 58 - Положение пучков, соответствующих 1, 0, -1 порядков дифракции для длин волн 450 и 650 нм в схеме с дополнительной

компенсационной призмой

0

3

4

Однако, при использовании такого способа компенсации [111] в схеме с АОФ с наклонной выходной гранью при компенсации хроматизма одного из порядков будет увеличиваться хроматизм другого порядка. В этом случае предложенная в статье геометрия призмы не подходит, так как требуется компенсировать увеличенный хроматический сдвиг только в -1 порядке дифракции. В рассматриваемом случае можно использовать половину призмы и располагать ее только в пучке 1 порядка (рис. 59).

Линза ПВО АОФ Линза Призма Оптоволокно

1 пор. Опор -1 пор. -1 пор. Опор 1 пор. 1 и-1 пор.

Рисунок 59 - Схема с объединением порядков дифракции с компенсацией

хроматического сдвига

Было произведено моделирование такой системы, где угол выходной грани АОФ а=10.31 о, по результатам оптимизации были подобраны углы в основании призмы: 50.1о и 90о. Результаты трассировки лучей в такой системе, полученные в программе Zemax Optic Studio представлены на рис. 60 в виде двумерного распределения освещенности на цветном детекторе.

а) б)

Рисунок 60 -Коррекция хроматического сдвига с АОФ с наклонной выходной гранью: а) хроматический сдвиг в схеме без компенсационной призмы, б) хроматический сдвиг в схеме с компенсационной призмой

Как можно видеть из рисунка 60, применение призмы, кроме компенсации хроматического сдвига, совмещает пучки в пространстве, соответствующие пучкам 1 и -1 порядков и отделяет пучок 0 порядка. Однако, из-за разных углов наклона пучков относительно оптической оси не обеспечивается полное переналожение пучков, соответствующих 1 и -1 порядкам дифракции (рисунок 59).

3.6. Выводы по главе

Выполненные расчеты, теоретические оценки, моделирование и эксперименты показали, что наиболее эффективной, с точки зрения использования светового потока, схемой для построения перестраиваемого источника на базе АОФ является схема с параллельным ходом луча. В качестве источника излучения можно использовать как галогенную лампу, так и светодиодный источник света, обеспечивающий широкий спектр. Оптимальной осветительной системой для работы со светодиодом является линза на основе ПВО, представляющая собой комбинацию оптических элементов, работающих с разными зонами пучка. Такой оптический элемент

обеспечивает высокий коэффициент использования светового потока (до 30%) за счет оптимального согласования параметров формируемого излучения с параметрами АОФ, работающего в параллельном ходе лучей.

Для повышения светоэффективности систем с применением АОФ можно объединить излучения 1 и -1 порядков дифракции с применением поляризационного цветоделительного кубика или разветвленного оптоволоконного жгута.

При объединении порядков может наблюдаться неравномерность цвета по сечению пучка из-за дисперсии в кристалле. В случае использования АОФ с наклонной выходной гранью для компенсации хроматического сдвига можно использовать призменный оптический элемент, компенсирующий хроматический сдвиг для пучка 1 или -1 порядка дифракции.

Таким образом, выбрана оптимальная оптическая схема перестраиваемого по спектру источника на основе АОФ для воспроизведения цвета, позволяющая обеспечить высокую эффективность использования светового потока, небольшие габариты (до 300 мм), а также равномерность цвета по полю.

ГЛАВА 4. Сборка и апробация макета источника

Важнейшими характеристиками прибора для воспроизведения заданного цвета являются цветовой охват, которой определяется, в том числе, спектральным диапазоном перестройки устройства, а также точность и стабильность воспроизведения цвета.

На эти характеристики влияет множество факторов, таких как стабильность во времени спектрального состава фильтруемого излучения, параметры согласования АОФ, влияющие на эффективность дифракции в рабочем спектральном диапазоне, а также особенности драйвера управления АОФ.

4.1. Реализация управления координатами цвета

Установка на основе АОФ, в которой реализован параллельный ход луча, для исследования особенностей управления координатами цвета и точности воспроизведения, показана на рисунке 61. В этой схеме линза L1 коллимирует свет от источника света LS (галогенная лампа), на поляризаторе P1 излучение становится линейно поляризованным и далее дифрагирует в АОФ. Поляризатор P2 отделяет пучок, соответствующий 1 порядку дифракции, от пучка 0 порядка. Пучок 1 порядка дифракции фокусируется линзой L2, после которой установлен светоделительный кубик BS, разделяющий этот пучок на два в соотношении 50/50, один из которых регистрируется спектрометром SP, а второй - на цветную камеру CAM. Поскольку при сборке и апробации макета для определения цветовых координат воспроизведенного цвета используется спектрометр, то для оценки точности воспроизведения цвета важно оценивать погрешность измерения спектра. При регистрации спектрального состава на RGB камеру также наблюдаются искажения цвета, поэтому для оценки цвета с помощью камеры необходимо осуществлять цветокоррекцию с учетом квантовой эффективности матрицы приемника.

Ь2 ВБ САМ

I ЗР /

Х\ Аг Аз А Рисунок 61- Схема установки

Управление цветом реализуется за счет АО фильтра с частотной модуляцией сигнала, позволяющей изменять длины волн опорных цветов. Независимое управление спектральными компонентами в этом случае дает возможность не только воспроизводить цвет с высокой точностью и скоростью, но и управлять цветовым охватом за счет перестройки базовых спектральных компонентов [А. 10].

Большинство широкополосных источников видимого излучения имеют низкую интенсивность в синей области спектра. Это фактор может ограничивать диапазон воспроизводимых цветов. Следует отметить, что при изготовлении АОФ настраивается коэффициент стоячей волны (КСВ) таким образом, чтобы он был не больше 3 единиц, однако на разных отрезках функция КСВ имеет разные значения. Обычно КСВ на краях спектра при настройке АОФ имеет большие значения. Однако, в случае применения АОФ для фильтрации широкополосного источника для последующего воспроизведения цвета, следует использовать АОФ с низким КСВ в синей области спектра. Пример зависимости КСВ, подходящей для использования в перестраиваемом источнике, приведен на рисунке 62. Такая функция позволяет с высокой эффективностью выделять длины волн, расположенные в синей области спектра (~ 110-130 МГц), в которой обычно интенсивность невелика. Кроме того, высокий КСВ в желто-красной области спектра (~80-60 МГц) позволяет уменьшать эффективность дифракции в этой области, где источники обычно имеют высокую интенсивность. Таким образом,

такой вид зависимости КСВ от частоты позволяет упростить получение заданного цвета и обеспечить более широкий цветовой охват.

Рисунок 62 - Зависимость КСВ от частоты, подаваемой в АОФ

Из-за погрешности при изготовлении АОФ перестроечная кривая и форма спектральной кривой пропускания для каждого АОФ может отличаться, поэтому для точного воспроизведения цвета требуется построить перестроечную кривую пучков, соответствующих 1 и -1 порядкам дифракции для используемого в установке конкретного АОФ (рис. 62). Данные о перестроечной кривой для пучков, соответствующих 1 и -1 порядкам дифракции, для используемого в установке АОФ, приведены в Приложении Г (таблица 5, 6).

450 500 550 600 650 700 750

Длина волны (нм)

Рисунок 63 - Перестроечная кривая зависимости ВЧ сигнала от длины волны излучения для 1 и -1 порядка дифракции

Для оценки цветового охвата и выбора длин волн для воспроизведения цвета в дальнейшем, важно оценить спектры пропускания в пределах рабочего диапазона перестройки используемого АОФ (рис. 65). В установке яркость воспроизводимого цвета будет определяться опорной длиной волны с минимальной яркостью, которая влияет на координату z в системе xyz или L в системе Luv, Lab и т.д. Поэтому, например, при выборе длины волны 450 нм в качестве опорной невозможно будет получить высокую яркость воспроизводимого цвета.

0.0005 0.00045

0.0004 0.00035

^ 0.0003

<s

í2 0.00025 о о w

§ 0.0002

о И

(D

Ё 0.00015

S

0.0001 0.00005 0

430 480 530 580 630 680 730

Длина волны (нм)

Рисунок 64 - Спектры пропускания использованного в установке АОФ для

разных длин волн видимого диапазона

С учетом того, что АОФ позволяет управлять цветовым охватом за счет изменения опорных длин волн и спектров пропускания в видимом диапазоне, то область воспроизводимых цветов будет определяться характеристиками конкретного использованного фильтра. Например, цветовой охват в установке с использованием АОФ с характеристиками, показанными на рис. 64, приведен на рисунке 65. Для сравнения на этом же рисунке приведен цветовой охват в случае использования монохроматических опорных компонентов. Для источника с данным АОФ цветовой охват с использованием 1 порядка дифракции будет на 1% меньше от цветового охвата CIE xyz 1931 г. При использовании 1 и -1 порядка дифракции цветовой охват уменьшится на 1,5%.

х

Рисунок 65 - Цветовой охват перестраиваемого источника с учетом спектров

пропускания АОФ

Поскольку полуширина спектральной линии АХ при акустооптической дифракции составляет от 3 до 6 нм, в случае использования одного порядка дифракции, то спектральные линии близки к монохроматическому излучению (АХ^-0). Отклонения спектральных компонентов источника от цветового локуса можно определить по формулам (1) - (5). Отклонение длин волн от цветового локуса можно определить с учетом спектрального пропускания (рис. 64). Например, для длин волн Х=450, 520, 650 нм отклонения координат цвета Ах, Ау составляют [А.11]:

- 450 нм -Ах=0.0012, Ау=-0.0011;

- 520 нм - Ах=-0.0025, Ау=-0.0014;

- 650 нм - Ах=0.00035, Ау=-0.00016.

Подробная таблица с отклонением цветовых координат и яркости для монохроматического спектра приведены в Приложении Г, таблица Г.2. Таким образом, в экспериментальной установке подтвердилась возможность воспроизведения цветов, расположенных близких к цветовому локусу [14]. Близость воспроизведенных цветов к цветовому локусу можно также оценить чистотой цвета [14], которая для проведенных экспериментов составила более 0.95.

При воспроизведении цвета, лежащего внутри цветового пространства ху (вдали от цветового локуса), нужно использовать несколько спектральных линий (от двух и более). В случае использования двух спектральных линий цвет должен располагаться на отрезке между спектральными линиями. При использовании от трех спектральных линий нужно, что бы воспроизводимый цвет лежал внутри фигуры, определяемой базовыми спектральными линиями. В случае, когда цвет (например, .№17 на рисунке 66) не попадает в созданный цветовой охват с длинами волн 470, 520, 650 нм, можно изменить, например, длину волны в зеленой области на 540 нм, тогда координата цвета №17 будет входить в новый цветовой охват 470, 520, 650 нм (см. рис.66). Таким образом, быстрая перестройка по длинам волн при помощи АОФ позволят управлять цветовым охватом, и тем самым воспроизводить цвета, лежащие как в области цветового локуса, так и в центральной области цветового пространства.

У

Рисунок 66 - Управление цветовым пространством

Таким образом, для воспроизведения цвета с координатами ху с помощью мультичастотного акустооптического полихроматора достаточно выбрать количество длин волн N и их положения с учетом спектров пропускания АОФ, рассчитать относительные интенсивности I дифрагированных лучей для каждой длины волны и подобрать значения акустической мощности Р^

4.2. Описание эксперимента

В эксперименте использовался типовой широкоапертурный АОФ из одноосного кристалла Те02 с углом среза 7°, длиной пьезопреобразователя 12 мм, оптической апертурой 10*10 мм2 и угловой апертурой 4°*4°. Изменяя акустическую частоту f от 60 до 130 МГц, можно точно настроить длину волны X отфильтрованного света в диапазоне 450-850 нм в соответствии с настроечной кривой X/), полученной после калибровки АОФ. Общая акустическая мощность привода варьируется от 0 до 2,5 Вт и по умолчанию равна 1 Вт на всех длинах волн. Для включения мультичастотного режима

использовался четырехканальный драйвер, позволяющий точно задавать положение и интенсивность каждой выбранной спектральной полосы. При воспроизведении цвета следует учитывать и эффективность для каждого канала, таким образом, чтобы при фильтрации спектральной линии с наименьшей интенсивностью (синяя область спектра) соответствовал канал с наибольшей эффективностью (рис. 67). Остальные данные о зависимости мощности от амплитуды, подаваемой на АОФ для разных длин волн, приведены в Приложении Г, рисунок Г.3 и таблица Г.7. Для обеспечения лучшего смешения дифрагированных световых пучков угол задней грани кристалла выбран таким образом, чтобы получить минимальный хроматический сдвиг [112].

Рисунок 67 - График зависимости мощности от амплитуды на длине волны 550 нм для 4-х каналов в драйвере

При использовании АО-фильтра спектральный состав излучения зависит от нескольких факторов, в том числе от расходимости пучка, а также от того, используются ли 1 и -1 порядки или только один из них. В эксперименте была продемонстрирована ширина выделяемой линии 3-6 нм. Кроме того, для увеличения эффективности использования светового потока возможна работа при объединении двух пучков в 1 и в -1 порядки (примерно

в 2 раза). Однако, в этом случае также наблюдается увеличение ширины спектральной линии. На рисунке 20 показаны спектральные зависимости для пучков 1 и -1 порядков для трех длин волн (460 нм, 520 нм, 650 нм). Из рисунка видно, использование обоих дифрагированных пучков приводит к увеличению ширины спектральной линии до 10 нм.

На рисунке 68 показана экспериментальная установка. Для обеспечения анизотропной дифракции и отсечения недифрагированного света АО ячейка помещена между скрещенными поляризаторами P1 и P2. Объектив L1 с фокусным расстоянием 35 мм коллимирует широкополосный свет от галогенной лампы LS мощностью 150 Вт с волоконной выходом и направляет его на АОФ. После АО-дифракции линза L2 с фокусным расстоянием 50 мм фокусирует пучки на цветную камеру САМ (ThelmagingSource DFM 42BUC03). Регистрация с помощью цветной камеры при ее соответствующей калибровке позволяет сравнивать воспроизводимые цвета с эталонными. Квантовая эффективность приемного устройства зависит от спектра и должна учитываться во время экспериментов по цветопередаче. Поэтому между L2 и CAM находится светоделитель 50/50 BS, направляющий отраженный свет на спектрометр SP (Ocean Insight Flame-T-UV-VIS).

Рисунок 68 - Экспериментальная установка

Спектрометр необходим для измерения и коррекции интенсивностей света в выбранных диапазонах и управления акустической мощностью в каналах АОФ с учетом квантовой эффективности приемника, чтобы обеспечить соответствие соотношения интенсивностей заданному цвету.

Для корректной оценки спектрального состава требуется учитывать погрешность измерения спектрометра. Согласно паспортным данным, погрешность спектрометра Ocean Insight Flame-T-UV-VIS при измерении

спектрального состава составляет +1.5 нм. Это позволяет оценить точность определения координат цвета по спектральному составу в пределах +0,005 и +0,003 для Ax, Ay. Такая погрешность находится в пределах погрешностей рабочего эталона. Эту погрешность также возможно учесть, если измерить эталонный источник, например лазер с известной длиной волны. Для калибровки были взяты три лазера с длиной волны 405 нм (Oxxius LBX-405-HPE), 532 нм (Oxxius LPX-532S), 633 мн (Oxxius LBX-633S). При обработке полученных данных со спектрометра для указанных источников получено, что погрешность составляет +1,5 нм для всех длин волн. Таким образом, когда требуется установить длину волны, например, 555 нм, нужно устанавливать на спектрометре длину волны в максимуме, соответствующую 553,5 нм.

На рисунке 69 представлены изображения эталонных и воспроизводимых цветов, полученных при работе АОФ в одночастотном (точки A, E и I), двухчастотном (точки B, D и G) и трехчастотном (точки C, F и H) режимах. Эталонные изображения были синтезированы с требуемым соотношением цветовых составляющих с максимальной интенсивностью, равной 255. Здесь количество и положение цветов для цветопередачи, а также спектральные полосы для их воспроизведения выбраны лишь для иллюстрации возможности управления цветовым пространством на основе АОФ. В зависимости от конкретной области использования эти параметры могут быть оптимизированы для стабильного воспроизведения цветов, расположенных в определенной области пространства CIE 1931, без повторной спектральной настройки. Значение максимальной составляющей во всех полученных изображениях было настроено равным 255, за счет регулировки общей акустической мощности IPj, приложенной к АОФ, для того чтобы их можно было объективно сравнивать с эталонными. Время экспозиции было равно 2 мс во всех экспериментах, показанных на рисунке 69. Относительные интенсивности, представленные на рис. 69, рассчитаны на основании измеренных значений с учетом квантовой эффективности датчика камеры.

Рисунок 69 - Эталонные (А-I - изображения цветов слева) и воспроизведенные (А-I - изображения цветов справа) цвета, нанесенные в

пространстве CIE 1931 г.

На рисунке 69 видно высокое визуальное сходство заданных (выбранных) цветов и цветов на полученных изображениях. Для получения более объективной оценки цветопередачи был выбран сертифицированный цветовой калибр (Edmund Optics Rez Checker), широко используемый для проверки цветового баланса и сравнения с эталонными образцами.

На рисунке 70 показано его изображение, полученное тем же объективом L2 и той же цветной камерой САМ, работающей в том же режиме, что и в экспериментах по воспроизведению цвета [A.12]. Координаты цветов цветового калибра указаны в пространстве Lab и переведены в пространство xyz (рис. 70 б). В качестве основных выбраны длины волн 460 нм, 520 нм и 650 нм: они образуют треугольник в CIE 1931, который охватывает координаты всех 19 выбранных цветов (рис. 70 в). Без программной коррекции или дополнительных оптических элементов (например, молочного стекла)

изображения выглядят неоднородно из-за виньетирования, дифракционных искажений и аберраций (см. ниже на рис. 70г).

□ 1 2 3 4 •

гг 1ШТТ~71 600 300 6

§ § ? 11 1

700 800 850 ¡400 I -500 550 8

9 19 . ......- 10

11 12

13 14

□ 15 16 17 18 • >

1 х=0,4011 у= 0,3612 2 х=0,3904 у=0,3531 3 1 х=0,2491 ) у=0,2666 4 х=0,3439 у=0,4346

5 х=0,2070 у=0,2652 6 х=0,2701 у=0,2557 7 х=0,2580 у=0,3553 8 х=0,3791 у=0,2471

10 к х=0,5088 " у=0,4060 11 ) х=0,5356 у=0,3285 12 х=0,2099 у=0,1828

13 х=0,3013 у=0,4891 14 х=0,4670 у=0,3145 15 х=0Д901 у=0,1509 16 х=0,4764 у=0,4426

17 х=0,3748 л = у=0,4926 у=

а)

б)

в)

г) Д)

Рисунок 70 - Оценка точности воспроизведения цвета с помощью цветового

калибра: а) изображения цветового калибра, б) координаты выбранных

цветов

(эталонные изображения), в) эталонные цвета в пространстве CIE 1931, г) полученные изображения (до обработки) д) полученные изображения

(после обработки)

В эксперименте было рассчитано необходимое соотношение интенсивностей и соответственно изменена акустическая мощность Pj. Суммарная акустическая мощность XP,, подаваемая на АОФ, была отрегулирована таким образом, чтобы добиться такой же интенсивности максимальной составляющей на всех полученных изображениях, как и на эталонных изображениях, представленных на рисунке 70б. Рисунки 70г и 70д иллюстрируют необработанные и скорректированные (усредненные) цветные изображения, сформированные дифрагированным светом. Визуально воспроизводимые цвета (рис. 70д) практически неотличимы от цветов в Color checker [113] (рис. 70 а). Погрешности воспроизведенных цветов приведены в Приложении Г, таблица Г.4: наименьшее отклонение составило Дх=0.0009, Ду=0.0004, наибольшее Дх= - 0.0253, Ду=0.0224. Однако, для последнего случая при изменении длины волны спектральных компонентов погрешность

составила Дх= - 0.0036, Ду=0.0019. Таким образом, изменение спектрального состава можно обеспечить приемлемую погрешность.

Воспроизведение цвета АОФ имеет множество преимуществ, включая почти полный охват пространства CIE 1931 (рис. 64), высокую скорость и повторяемость. Точная радиометрическая калибровка установки позволит получить зависимость интенсивности изображения I от акустической мощность P по отношению к коэффициенту пропускания оптических компонентов и квантовой эффективности датчика. Такую калибровку необходимо выполнить перед началом работы с перестраиваемым источником, то есть нет необходимости включения спектрометра в состав рабочего образца прибора. Однако, калибровка и контроль с использованием спектрометра может быть необходимой при включении в работу расширенного набора цветов.

АО дифракция представляет собой гибкий инструмент спектральной фильтрации света путем изменения параметров акустических волн. АО взаимодействие обеспечивает стабильный отбор монохроматических составляющих с требуемыми длинами волн и амплитудами. Запуск нескольких ультразвуковых частот с настраиваемой мощностью в кристалле АО и смешивание дифрагированных световых лучей позволяет создавать практически бесконечное количество цветов. Таким образом, предлагаемый тип перестраиваемого источника света обеспечивает почти полное покрытие цветового пространства CIE 1931 и демонстрирует относительную простоту настройки, высокое качество цветопередачи и быструю перестройку по координатам цвета.

4.3. Оценка погрешности воспроизведения цвета

Согласно ГОСТ 8.205-2014 [31] «Государственная схема для средств измерения координат цвета и координат цветности, показатель белизны и блеска» для первичного эталона предъявляются самые жёсткие требования, поэтому в этом случае диапазон значений для координаты х и для координаты у будет составлять 0,0048-0,8338. Отклонение координат цветности для первичного эталона, согласно ГОСТ, должно быть для Дх 0,0010-0,0005 и для

Лу 0,0015-0,0005. Отклонения при 25 измерениях должно быть не больше 0,0004 для Лх и 0,0006 для Лу. Для вторичного эталона цвета, согласно ГОСТ, среднеквадратичное отклонение при 10 независимых измерениях координат цветности самосветящихся объектов должно составлять не более 0,007-0,0007 для Лх и 0,006-0,0006 для Лу. Диапазон измерений для вторичного эталона должен составлять от 0,0039-0,7347 для х и 0,0048-0,8338 для у. Приделы допускаемых абсолютных погрешностей рабочих эталонов координат цветности самосветящихся объектов составляют: 0,002-0,005 для Лх, Лу. При этом диапазон должен покрывать диапазон измерений координат цвета от 0,004-0,734 для х и 0,005-0,834 для у. При этом среднеквадратичное отклонение результатов измерений для первичного эталона должно быть для х=0,0004 для у=0,0006 при 25 независимых измерений.

С учетом вышеописанного необходимо оценить прибор с точки зрения точности воспроизведения по заданным цветовым координатам с управлением цветовым охватом. Для выполнения оценки точности воспроизведения цвета требуется проинтегрировать спектральный состав полученного излучения с учетом кривой чувствительности глаза [13] по формулам [13-16] (Глава 1).

Таким образом, для исследования вопроса точности воспроизведения цвета и потенциальных возможностей перестраиваемого источника оптимально рассматривать работу в одном дифрагированном пучке.

Очевидно, что при изменении компонента Е(Х), меняются координаты цвета. В свою очередь, возможность регулировки выделяемых компонентов, присущая именно АО фильтру, определяет возможность управления базовыми компонентами цветового охвата, внутри которого находится воспроизводимый цвет. Площадь этого цветового охвата, зависит в первую очередь от ширины выделяемых спектральных компонентов и точности выставления их интенсивностей. Для этого во время выбора опорных длин волн для воспроизведения цвета требуется учитывать зависимость мощности излучения от амплитуды, подаваемой на АОФ.

В ходе эксперимента было определено, что вторичные максимумы спектральной кривой пропускания АОФ влияют на воспроизведение цвета и в некоторых случая погрешность становиться больше допустимой. На рисунке 71 приведен пример отклонений цветовых координат воспроизведенного цвета от заданного. Крестиками обозначены заданные координаты цвета, кружками цветовые координаты воспроизведенного цвета. По графику можно видеть, что заданные и воспроизведенные цвета распложены на значительном расстоянии друг от друга. Это вызвано тем, что при расчете интенсивностей для каждой базовой спектральной компоненты не учитывались вторичные максимумы образованные при Брэгговской дифракции. 0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8

х

Рисунок 71 - Отклонение цветовых координат воспроизведенного цвета, когда не учитываются вторичные максимумы спектральной кривой

пропускания

Если учитывать вторичные максимумы и другие особенности акустооптической дифракции, отклонения будут значительно меньше. На рисунке 72 приведены отклонения координат цвета от заданных значений (обозначены крестиками) с учетом особенностей АО дифракции для двух длин волн (обозначены треугольниками) и трех длин волн (обозначены кружками).

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

ж

0,4 0,3 0,2 0,1 0

X X X

X

хх хух

х / N

\

0,2

0,4

х

0,6

0,8

Рисунок 72 - Отклонение цветовых координат воспроизведенного цвета, с учетом особенностей АО дифракции

0

Поэтому при выборе спектральных компонентов и расчете интенсивностей каждой из них были учтены все требования, приведенные выше. Из этого можно вывести алгоритм выбора спектрального состава для воспроизведения цвета (рисунок 73). Расчет весовых коэффициентов и оптическая мощность выбираются с учетом спектра пропускания АОФ, тогда обеспечивается минимальное отклонение воспроизведенного цвета от заданного.

Координаты воспроизводимого цвета ! ,#

-Е-

Выбор длин волн ЛИ,Л2,ЛЗ

I

(у - Уз) ■ (I - .ц) + (у - л) ■ - I)

"Г

Определение оптической мощности излучения

для каждой спектральной линии

„ Ь

х(Хтж з) + >7(Лтах з)+2(Хтах 3)

-*-

Определение координат цвета

нового спектрального состава

X = | Щ)Рс1(Л)<И

у = 1 у № Ра № ¿л

г = 12{1)м{х)йх

хгеа1 = Х/{Х + У + Г)

угеа1 = У/(Х + У + г) гге а1 = 2/{Х + У + г)

Дх = х — хгеаI

Ду = у— угеа1

А/. = 7. — ггеа!

Рисунок 73 - Алгоритм выбора спектральных линий для воспроизведения

цвета и расчета их интенсивности

В случае если цвет не попадает в заданный цветовой охват, то следует изменять длину волны (Л2) в зеленой области спектра, тогда Х2 подбирается таким образом что бы полученные интенсивности для каждой длины волны имели положительное число. При большом значении погрешности, в случае воспроизведения цвета с помощью АОФ, следует менять длину волны в синей области спектра (Л1), так как у нее, как правило, самая низкая интенсивность, тем

самым меньше диапазон регулировки, который также может влиять на точность воспроизведения.

Были выбраны три длины волны для воспроизведения цветовых координат с Color checker. На рисунке 74 показаны спектры для каждого из цветов и также определены спектры с учетом квантовой эффективности приемника для цветовой коррекции полученных изображений [A.12]. Рисунок 74 и иллюстрирует спектры, выбранные АОФ и измеренные спектрометром SP для всех 19 цветов в Color checker. В случае воспроизведения цвета .№5 (Приложение Г, таблица 4.Г), погрешность по Ах и Ау оказалась больше допустимой для рабочего эталона цвета, тогда длины волн для этого цвета были выбраны по предложенному алгоритму (460, 515, 635 нм).

Рисунок 74 - Спектральные графики воспроизведенных цветов

Поскольку одни и те же координаты цвета возможно воспроизводить разными спектральными составами цветовые координаты с Color checker были

воспроизведены не только тремя спектральными линиями, но и двумя. В Приложении В таблица Г.3 описываются полученные координаты и погрешности для воспроизводимых цветов при воспроизведении 2 спектральными линии, а в таблице Г.4 с тремя спектральными линиями. Как показала практика, воспроизведение цвета двумя длинами волн возможно, однако точность воспроизведения при этом ниже. Это обусловлено тем, что в эксперименте при воспроизведении цвета двумя спектральными линиями, максимумы интенсивности спектральных линий устанавливались с шагом 1 нм, что может не обеспечивать требуемой точности.

Исходя из результатов отклонений цветовых координат представленных в Приложении Г таблицах Г.2-Г.4, можно сделать вывод, что при выделении одной спектральной линии координаты ее цвета будут лежать близко к цветовому локусу. Воспроизведение цветов, лежащих внутри цветового охвата, возможно при выделении от 2 спектральных линий и более. При этом для обеспечения заданной точности по координатам ху следует воспроизводить цвет 3 спектральными линиями и использовать мультичастотный акустооптический полихроматор на три канала.

4.4. Выводы по главе

Воспроизведение цвета при помощи АОФ обеспечивает высокую точность и гибкость воспроизведения цветов в широком диапазоне, охватывающем практически все пространство, однако при разработке прибора, позволяющего реализовать все эти возможности, требуется учитывать особенности АОФ, такие как перестроечная функция, индивидуальная для каждого АОФ, сложный характер выделяемой спектральной линии, которые необходимо учитывать при определении цвета, эффективность каждого канала при работе в режиме мультичастотной дифракции, зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты, определяющего цветовой охват и др.

В результате серии экспериментов был разработан алгоритм, позволяющий выполнить подбор базовых спектральных компонентов для получения требуемой точности воспроизведения цвета. На основе выполненных экспериментов и анализа характеристик, использованных в макете перестраиваемого источника оптико-электронных компонентов, можно сделать вывод о том, что достижения точности, соответствующей вторичному или первичному эталону цвета. Достигнутая точность в экспериментах, с учетом алгоритмов расчета координат цвета, определялась характеристиками программного модуля. Еще один фактор, влияющий на точность воспроизведения координат цвета - дискретность установки амплитуды сигнала, то есть уменьшение шага дискретизации позволит улучшить точность установки интенсивностей для каждой базовой спектральной компоненты.

Заключение

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Проведен обзор способов организации спектральной перестройки для воспроизведения цвета. Для возможности гибкого управления цветовым охватом и возможностью воспроизведения цветов с чистотой более 95%, приближенных к цветовому локусу, предложено использовать АОФ в мультичастотном режиме дифракции.

2. Выполнена теоретическая оценка эффективности использования светового потока в принципиальных оптических схемах на основе АОФ с учетом эффективности дифракции. Показано, что схема с параллельным ходом луча обеспечивает наибольшую эффективность по сравнению с конфокальным ходом луча за счет отсутствия диафрагмирования с учетом габаритных ограничений. Предложена оптическая система на основе коллимирующей free-form линзы, в которой обеспечивается высокий коэффициент использования светового потока (до 30%) за счет оптимального согласования параметров формируемого излучения с параметрами АОФ.

3. Разработан алгоритм расчета хода луча и пользовательский объект для программы Zemax Optic Studio, работающий в режиме непоследовательной трассировки луча. Алгоритм учитывает двулучепреломление в кристалле, разделение луча на компоненты при Брэгговской дифракции оптического излучения на акустической волне, а также эффективность дифракции и позволяет выполнить моделирование и расчет оптической схемы перестраиваемого источника с учетом особенностей акустооптической дифракции.

4. Предложены способы одновременного использования 1 и -1 порядков дифракции в осветительных системах, позволяющие повысить коэффициент использования светового потока в 2 раза в перестраиваемом источнике на основе АОФ при незначительном уменьшении цветового охвата.

5. Предложен итерационный алгоритм, учитывающий особенности мультичастотного акустооптичаского полихроматора и позволяющий выбрать базовые компоненты для воспроизведения требуемого цвета с погрешностью ниже порога цветового различия.

6. Предложенные технические решения были реализованы в экспериментальной установке, с использованием которой проведена апробация полученных теоретических результатов, а также исследована точность воспроизведения цвета по цветовому калибру.

7. Оценка погрешности воспроизведения цвета перестраиваемым источником показала, что прибор можно отнести к рабочему эталону цвета, который позволяет воспроизводить цветовые координаты х, у с точностью не хуже 0,005.

Список сокращений