Аппаратные и программные средства многоканального анализа пространственно-временной структуры излучения в современных задачах прикладной оптики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Министерство образования и науки Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ ГОСУД^Т^ННЬ^ ДНИВЕРСИТЕТ

УЖ 681.6:681.7 1 ' Ш

Товмасян Сергей Каралетович

АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МНОГОКАНАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ , ИЗЛУЧЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧАХ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ

Специальность 01.04.01 - техника фивического эксперимента, фиаика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1986

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко при Белорусском государственном университете

Научные руководители: академик АН Республики Беларусь,

Официальные оппоненты:

академик АНБ,.доктор физико-математических наук, профессор Бураков B.C.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Шпилевой Б.Н.

Оппонирующая организация - ЦКБ "Пеленг" при Белорусском оптико-механическом объединении

Защита состоится 29 марта 1996 года в 10 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.10 Белорусского государственного университета по адресу: 220080, Минск, проспект Ф.Скорины, 4, главный корпус, аудитория 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского госуда£>ственного университета

Автореферат разослан 28 февраля 1996 года

доктор технических наук, профессор Чернявский А. Ф.

доктор физико-математических наук Гончаров В. К.

(В.В.Апанасович)

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Задача автоматизированного съема пространственного распределения светового излучения импульсных и непрерывных источников и обработки результатов в реальном масштабе времени актуальна при проведении исследований в области квантовой электроники, физики плазмы, спектроскопии, при юстировке сложных лазерных систем, при проведении интерфе-рометрического контроля качества прецизионных поверхностей.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись по союзным и республиканским комплексным программам, постановлениям правительства и других директивных органов, в частности, в рамках программ "Плазма" и "Автоматизация", финансируемых Министерством образования и науки Республики Беларусь.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методов, аппаратных и программных средств регистрации пространственного распределения светового излучения импульсных и непрерывных источников для автоматизации широкого круга исследований в области фото- и спектрометрии.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

- провести анализ способов фотоэлектрического преобразования с пространственным разрешением применительно к задачам (квантовой электроники и лазерной спектроскопии;

- разработать структуру многоканального оптического анализатора (МОА), включающего устройства измерения и компенсации детерминированной составляющей пространственного шума, нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приборов с зарядовой связью (ПЗС);

- разработать методику компенсации детерминированной составляющей пространственного шума, коррекции нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы;

- разработать методы оценки метрологических характеристик МОА, включающие в себя аттестацию тракта аналого-цифрового преобразования (интегральной и дифференциальной нелинейности, случайной погрешности) и тракта фотоэлектрического преобразования (определение чувствительности и пространственного разрешения);

- разработать алгоритмы обработки информации в МОА;

- на основе автоматизированного многоканального спектро-анализатора провести количественные измерения параметров плазмы лазерного эрозионного факела меди; исследовать пространственное изменение плотности плазмы с целью выявления доиспарения капель материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу; -ч

- на основе созданной системы многоканального оптического анализа решить задачи юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, оптимизации беспичкового режима генерации неодимового лазера, интерферометрического контроля качества рельефа прецизионных оптических поверхностей.

Научная новизна полученных результатов. Создан автоматизированный измерительный комплекс для фото- и спектрометрических исследований, позволяющий проводить экспресс-анализ оптической информации в реальном масштабе времени при помощи спецпроцессора и работающей на линии ЭВМ. Высокие метрологические характеристики комплекса обеспечены аппаратно-программными методами компенсации детерминированной составляющей пространственного шума, коррекции нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы.

Разработан программно-алгоритмический комплекс для систем многоканального оптического анализа, обеспечивающий диалоговый режим работы и широкие возможности графического отображения и документирования результатов измерений.

В результате исследования динамики плазмообраэования при взаимодействии излучения мощного неодимового лазера с медной мишенью обнаружено возрастание давления и плотности плазмы в эрозионном факеле при удалении от мишени в приповерхностной области. На основании этого показано, что мелкодисперсная жидкокалельная фаза материала мишени доиспаряется в процессе движения навстречу лазерному лучу, создавая более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.

Практическая значимость полученных результатов. Созданные автоматизированные системы многоканального оптического анализа существенно расширяют функциональные возможности оборудования при выполнении оптико-физических измерений, ускоряют настройку и юстировку оптических элементов и установок.

Разработанные аппаратные и программные средства существенно сокращают временные затраты на проведение эксперимента как

за счет многоканальности системы регистрации оптического излучения, так и за счет эффективных высокоскоростных приемов цифровой обработки измерительной информации.

На основе аппаратно-программных средств многоканального оптического анализа разработаны методики юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, широкоапер-турных систем инфракрасного диапазона и обработки интерферо-грамм при прецизионном контроле качества рельефа поверхностей оптических элементов.

Экономическая значимость полученных результатов. Результаты исследований можно использовать для быстрого и надежного контроля параметров современных многокомпонентных оптических систем, для оптимизации режимов лазерной обработки металлов, для контроля качества прецизионных поверхностей при производстве оптических приборов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор ващищает:

1. Структурную организацию автоматизированной измерительно-вычислительной системы на базе матричных ПЗС-фотоприемников, расширенный динамический диапазон и высокая чувствительность которой достигаются компенсацией помеховых составляющих сигнала,

2. Методику калибровки измерительного тракта, предусматривающую:

- создание равномерной фоновой подсветки приемной ПЗС-матрицы для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерений;

- создание равномерной освещенности для проведения коррекции неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы;

- регистрацию прошедшего через калиброванный ступенчатый ослабитель излучения эталонного источника для учета нелинейности свет-сигнальной характеристики приемной ПЗС-матрицы.

3. Методику метрологической аттестации созданной системы многоканального оптического анализа, предусматривающую:

- аттестацию с помощью разработанных для этой цели аппаратных и программных средств тракта аналого-цифрового преобразования ;

- использование аттестованного тракта аналого-цифрового преобразования для оценки метрологических характеристик тракта фотоэлектрического преобразования.

4. Комплекс алгоритмических и программных средств прецизионного многоканального оптического анализа, построенный по модульному принципу, функционирующий в диалоговом режиме и автономно, допускающий оперативное внесение изменений в состав применяемых алгоритмов. В состав комплекса входят модули, реализующие выделение зон на'оптическом изображении, проведение вычислительных операций над элементами зон, построение графиков, работу с графической информацией. Алгоритмы обработки результатов эксперимента могут быть как общими для систем многоканального оптического анализа (съем и контроль информации, предобработка, статистическая, корреляционная, спектральная обработка), так и учитывающими специфику .'эксперимента, в частности, реализующими функции юстировки и калибровки оборудования.

5. Экспериментальные результаты по диагностике лазерной плазмы и исследованию динамики плазмообразования, заключающиеся в обнаружении доиспарения капель материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу.

6. Методику юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, позволяющую проводить отладку модово-го режима генерации, контроль заполнения оптических элементов реальным световым полем, настройку усилительных и формирующих оптических трактов, настройку соосности между инжекционным излучением и осью регенеративных усилителей резонаторного типа, отладку и контроль сходимости излучений различных трактов на мишени-объекте, контроль и отладку спектральных характеристик излучения перестраиваемых по частоте лазерных источников.

7. Методику юстировки широкоапертурных лазерных систем инфракрасного диапазона с целью получения равномерного во времени и пространстве излучения.

8. Методику обработки интерферограчм в реальном масштабе времени, позволяющую автоматизировать контроль качества рельефа прецизионных оптических поверхностей.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты настоящей работы были получены автором самостоятельно. Научные руководители сформулировали тему исследования, осуществляли общее руководство и принимали непосредственное участие в обсуждении полученных результатов. Из работ, опубликованных в соавторстве, в диссертацию включены только принадлежащие автору результаты.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации

- 5 -

докладывались и обсуждались на:

8-й Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации, Москва - Куйбышев, 1981;

2-м Всесоюзном совещании ОСУ-84, Барнаул, 1984;

3-м Всесоюзном совещании "Координатно-чувствитель'ные фотоприемники, оптоэлектронные устройства на их основе", Барнаул, 1985;

2-й университетском семинаре "Применение лазерной и оп-то-электронной техники в народном хозяйстве", Минск, 1985;

8-й Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента з научных исследованиях", Ленинград, 1986;

3-м Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой, Одесса, 1988.

Опубликованность результатов. По результатам исследований опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей в научных журналах и сборниках, 6 в тезисах конференций и 1 изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Полный объем диссертации составляет 100 страниц машинописного текста и 36 страниц иллюстраций. Список использованных источников содержит 94 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе диссертации рассматриваются принципы и средства многоканального оптического анализа. В качестве примеров задач, требующих оперативной регистрации пространственного распределения светового излучения с последующей обработкой большого объема, зафиксированной информации, приводятся спектроскопия процессов взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с веществом, исследование временного хода подобных процессов, создание контрольно-измерительных оптических приборов, проведение интерферометрического контроля параметров поверхностей н прозрачных сред, юстировка сложных оптических систем. Традиционный фотографический метод регистрации подобных распределений требует больших затрат времени для получения результатов, что делает его непригодным в системах, где требуется оперативное вмешательство в ход эксперимента.

Наиболее перспективными устройствами, позволяющими преодо-

леть эти недостатки, являются многоканальные регистраторы, использующие в качестве координатно-чувствительных приемников излучения полупроводниковые матрицы с различными способами сканирования. Из последних приборы с зарядовой связью (ПЗС) обладают рядом преимуществ как перед электронно-лучевыми приборами, так и перед фотодиодными матрицами.

Разработанная измерительная система МОА на основе приемной ПЗС-матрицы и соответствующего блока регистрации может работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В блоке регистрации производится аналого-цифровое преобраразование (АЦП) видеосигнала приемной камеры с фиксацией результатов в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), полутоновое отображение содержимого ОЗУ на видеоконтрольном устройстве (ВКУ), вычитание из зафиксированных результатов темновой картины приемной .камеры, обмен информацией с ЭВМ.

В импульсном режиме максимальная частота повторения регистрируемых световых импульсов составляет 100 Гц, что позволяет отслеживать изменения пространственного распределения излучения во времени в диапазоне частот 0 + 50 Гц.

Непрерывный вывод информации из ОЗУ блока регистрации для отображения на ВКУ позволяет сравнительно просто организовать автономную (без привлечения ЭВМ) обработку результатов эксперимента. Результаты автономной обработка: выводятся на графопостроитель и отображаются на цифровом табло блока регистрации.

Формат фиксируемого изображения определяется форматом приемной ПЗС-матрицы и может достигать 512x512 точек. Число уровней квантования по интенсивности 1024, число градаций яркости выводимого полутонового изображения 256.

Спектральный диапазон используемых ПЗС-матриц лежал в пределах 0,4 - 1,1 мкм, чувствительность к излучению гелий-неонового лазера составляла 10~9 Дж/см2, динамический диапазон измерений для охлаждаемых ПЗС-матриц достигал 103.

Метрологические характеристики приемной камеры оценивались в рамках самой системы после предварительного анализа характеристик тракта АЦП. Для проведения последнего была создана автоматизированная установка, принцип действия которой основан на включении испытуемого преобразователя в петлю аналого-цифровой обратной связи.

• - 7 -

Исследованы свет-сигнальные и частотно-контрастные характеристики, а также чувствительность приемных камер.

Обнаружено заметнее уменьшение крутизны свет-сигнальных характеристик в области малых освещенностей 10 7. от освещенности насыщения), наиболее выраженное у ПЗС-матриц с поверхностным каналом переноса. Это снижает разрешение по интенсивности малых оптических сигналов. Для устранения этого недостатка было использовано .введение в ПЗС-матрицу фонового заряда с помощью дополнительного устройства равномерной засветки. После приема результатов эксперимента фоновая подсветка из зафиксированной картины вычитается. Вычитание устраняет влияние на результат эксперимента темновой неоднородности приемной матрицы и снижает требования к равномерности фоновой подсветки.

Установлено, что наклон свет-сигнальных характеристик имеет разброс по столбцам ПЗС-матрицы, который всегда учитывался работающей на линии ЭВМ.

Для оценки пространственного разрешения многоэлементных приемных камер предложено измерение контраста синусоидального распределения интенсивности света, падающего на матрицу. Истйч-ником такого распределения служил призменный интерферометр, в объектном плече которого находился ослабитель света (набор светофильтров). Пространственая частота тестового сигнала плавно регулировалась котировочным устройством интерферометра. Разрешающая способность приемных . камер лежала в пределах 10-20 лин/мм на уровне контраста 0,5., ,.•■•. . . ,

Во второй главе разработано программное .обеспечение (ПО) системы МОА. ПО построено по модульному* привципу. и носитпдоста-точно общий характер. Путем замены или. модификации модулей, обработки ПО можно приспособить к решению,.широкого' класса задач. В состав ПО входят модули управления экспериментом со встроен-! ными блоками съема и контроля поступающей,информации,, модули обработки результатов, модули графического, отображения- информации, модули работы с информационной разойнсистемы. гВ состав модулей графического отображения информации,! включены, модули-ир-, терактивной обработки данных, обеспечивающие, движение маркера по экрану ВКУ с вычислением интегральных.,характеристик ^кривых, фиксацией особых точек, выполнением ряда .других ¡операций, г,

Система может работать как с панорамной информацией(. которая модулями предобработки путем выделения зон и их свертки ме-

тодом усреднения приводится к одномерным массивам, так и со свернутой информацией, считанной с внешнего носителя, либо с информацией, полученной с датчиков, не имеющих пространственного разрешения.

Наряду с модулями, реализующими типичные для систем многоканального оптического' анализа функции (выделение зон на зафиксированном изображении, выполнение математических операций над элементами гон, построение графиков и работа с графиками, обмен информацией с внешним носителем), в состав ПО включены модули юстировки проецирующего устройства, коррекции неравномерности чувствительности приемной матрицы, расшифровки спектра, измерения абсолютных и относительных интенсивностей спектральных линий, расчета параметров плазмы по измеренным интенсивностям, определения контраста интерференционных полос, построения идеальной интерферограммы, контроля качества оптических поверхностей по заданным критериям.

Система ПО может функционировать как в режиме диалога, так и автономно, когда процесс обработки входных данных ни на одном из этапов не требует вмешательства оператора. Модуль управления работой системы в автономном режиме позволяет заданное число раз провести обработку поступившей информации по схеме, отработанной в режиме диалога.

С целью предотвращения сбоев на этапе ввода управляющей информации в каждый модуль ПО включены блоки контроля за правильностью задания пользователем этой информации.

Проверка работоспособности комплекса ПО выполняется с помощью тестовых программ, обеспечивающих прохождение и сравнение полученных результатов с известными.

В третьей главе оценивались функциональные возможности методов многоканального оптического анализа в задачах спектроскопии лазерной плазмы.

Использование автоматизированных систем многоканального оптического анализа существенно ускоряет процесс сбора и обработки спектральной информации.

Исследуемый спектр может вводиться в МОА как непосредственно со спектрального прибора, так и путем предварительной регистрации спектра на фотопленку или фотопластинку с последующим вводом зафиксированного на фотоматериале изображения. Первый способ более оперативен, а второй более универсален, так

как позволяет без перестройки приемной части измерительной системы обрабатывать спектры, полученные на разных спектральных приборах, в том числе и на таких, рабочий диапазон которых выходит за пределы области спектральной чувствительности фотоэлектрического преобразователя системы. Предварительная фиксация спектра на фотоматериале предпочтительна в случае необходимости накопления за один эксперимент большого объема спектральной информации и длительного ее хранения, а также при работе на установках, создающих мощные электромагнитные помеха.

В настоящей работе исследовались зафиксированные на фотопленке спектры эрозионного факела, полученного при воздействии на медную мишень излучения неодимового лазера с плотностью мощности 3,4 • 106 Вт/см2.

Система MOA обеспечивает оперативное выполнение любой стандартной процедуры обработки спектра, включая расшифровку, измерение интенсивностей и ширин спектральных линий, построение характеристической кривой фотоматериала и другие операции.

Поскольку при работе использовались негативные изображения спектров, точность полученных результатов существенно за-висила от рабочих характеристик приемной камеры при малых засветках. Для улучшения этих характеристик использовалась фоновая подсветка.

Наряду с изображением исследуемого спектра в регистратор ввидилось изображение спектра эталонного источника, снятое на ту же фотопленку через девятиступенчатый ослабитель.

Визуальным сравнением полутоновой карты спектра на экране ёКУ с атласом спектральных линий устанавливалось местоположение наиболее интенсивных линий меди. Затем на экран ВКУ выводился график зависимости интенсивности от длины волны и перемещаемой меткой фиксировалось местоположение других линий. Сравнение местоположений метки и максимумов спектральных линий оказалось достаточным для надежной расшифровки участков спектра без привлечения возможностей MOA по введению дополнительной справочной информации об интенсивностях и ширинах линий.

Для исследований использовались пространственные развертки спектра вдоль и поперек эрозионного факела, усредненные аа время 100 мкс, снятые в моменты времени с центрами 200, 600 и 900 мкс от начала лазерного воздействия.

Измерение абсолютной интенсивности спектральной линии

353,0 нм позволило получить концентрацию возбужденных атомов, а расчет равновесного состава плазмы дал значения концентраций электронов, атомов и ионов двух степеней ионизации.

По уравнению состояния идеального газа рассчитывалось давление плазмы, а по концентрации' частиц ее плотность.

ч -

Наиболее высокие значения температуры и давления плазмы реализуются вблизи мишени через 200 мкс после начала лазерного воздействия. В этот момент в плазме, контактирующей с мишенью, присутствуют в основном двукратно заряженные ионы, концентрация их с удалением от мишени на расстояние 15 мм уменьшается более чем на 2 порядка. Из-за происходящего при этом процесса рекомбинации концентрация однократно заряженных ионов и атомов возрастает.

Определенный интерес представляет распределение параметров плазмы вдоль эрозионного факела через 600 мкс после начала действия лазерного излучения. К этому времени факел уже сформировался и является стационарным. В этом случае он представляет собой сверхзвуковую струю, истекающую из эрозионной лунки как из сопла в условиях недорасширения. Ход температуры и давления плазмы вдоль факела обнаруживает при этом два максимума. Более удаленный максимум параметров плазмы расположен на расстоянии 30 мм от поверхности мишени. Он обусловлен существованием в этом месте стационарной ударной волны. Перед фронтом ударной волны параметры факела существенно ниже. По мере приближения к мишени они увеличиваются, достигая максимума на расстоянии 10 - 12 мм от ее поверхности. При обычном (не сверхзвуковом) истечении струи максимальные параметры должны быть на срезе сопла. Наблюдающееся увеличение параметров факела при удалении от мишени в приповерхностной области связано с взаимодействием продуктов эрозии с лазерным излучением.

Ход вдоль факела кривой плотности плазмы свидетельствует, что давление на первоначальном участке растет не только за счет увеличения температуры, но и за счет поступления в факел дополнительных паров. Это говорит о том, что наряду с атомами, электронами и ионами в эрозионном факеле присутствуют и частицы жидкокапельной фазы материала мишени, которые доиспаряются в процессе движения навстречу лазерному лучу, создавая вокруг себя более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров. На расстоянии 10 - 12 мм от мишени они испаряют-

-lien полностью, и в дальнейшем происходит уменьшение плотности плазмы за счет разлета продуктов эрозии.

В четвертой главе на основе разработанных систем MOA решались задачи настройки сложных оптических систем и обработки интерферограмм в реальном масштабе времени.

Обычно настройка сложных лазерных систем начинается с приблизительной установки оптических элементов при помощи видимого непрерывного излучения гелий-неонового лазера. Однако современные схемы используют узлы нелинейной оптики, клиновые элементы и узлы более сложной формы, обладающие дисперсией показателя преломления. Эти схемы достаточно протяженны и вследствие дисперсионных эффектов на больших расстояниях дают значительное отклонение реальных лучей от юстировочного излучения и требуют окончательной юстировки в реальных световых пучках. Для осуществления этой процедуры необходимы устройства, контролирующие пространственное распределение излучения, обеспечивающие запоминание импульсной картины и ее визуализацию в реальном времени.

MOA пзволяет проводить отладку модового режима генерации, контроль заполнения оптических элементов реальным световым полем, настройку телескопов усилительных и формирующих оптических трактов, настройку соосности между инжекционным излучением и осью регенеративных усилителей резонаторного типа, отладку и контроль сходимости излучений различных типов на мишени-объекте, отладку и контроль спектральных характеристик перестраиваемых по частоте лазерных источников (в комплексе со спектральным прибором).

Для упрощения интерпретации результатов исследования процессов плазмообразования при воздействии лазерного излучения на вещество необходимо иметь генерацию излучения равномерного во времени и пространстве. В работе рассматривается процесс юстировки неодимового лазера с конфокальным резонатором с целью получения такого режима генерации. Вследствии того, что излучение носит импульсный характер и лежит в инфракрасной области, визуальная настройка такого лазера весьма затруднительна. Применение MOA существенно ускоряет и упрощает процесс юстировки.

На основе разработанных аппаратных и программных средств MOA была создана автоматизированная система интерферометричес-кого контроля коэффициента пропускания, однородности и клино-

видности плоскопараллельных оптических элементов и рельефа плоских и сферических поверхностей. Процесс контроля состоит в построении опорной картины и сравнении с ней обрабатываемой интерферограммы. При контроле плоскопараллельных элементов ис- . следуемый объект помещается на пути одного из интерферирующих лучей, а при контроле рельефа интерференционная картина строится при взаимодействии волн, отраженных от эталонной и испытуемой поверхностей. Результатом является распределение по полю интерференции отклонений контролируемых параметров от эталонных значений. Точность контроля оптической толщины плоскопараллельных элементов составляет (0,05 - 0,1) X или 0,03 - 0,06 мкм, клиновиднбсти - 6 угловых секунд. Отклонение плоских и сферических поверхностей от идеальных регистрируется с точностью 0,05 Л или 0,03 мкм.

ВЫВОДЫ

1. Разработана система многоканального оптического анализа на основе ПЗС-матрицы и работающего на линии с ЭВМ блока регистрации, фиксирующего в цифровом виде кадр оптического изображения с индикацией зафиксированной информации в виде полутоновой картины на экране телевизионного монитора. Для блока регистрации разработан спецпроцессор, позволяющий проводить прием, первичную обработку и отображение результатов в автономном режиме. Система обеспечивает возможность работы как с непрерывными, так и с импульсными оптическими сигналами в спектральном диапазоне 0,4 - 1,1 мкм. Благодаря предложенным методам борьбы с помехами, способам коррекции свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приемной матрицы обеспечена чувствительность измерений не хуже 10"® Дж/см2, нелинейность характеристики измерительного тракта не более 2,5Х, динамический диапазон 103 с возможностью расширения путем использования ослабителей оптических сигналов.

2. Для компенсации детерминированной составляющей пространственного шума ПЗС-матрицы применено вычитание из зафиксированных результатов темновой картины приемной камеры, проводимое в реальном масштабе времени непосредственно за приемом экспериментальной информации. Для учета нелинейности свет-сигнальной характеристики и коррекции неоднородности чувствительности при-

емкой ПЗС-матрицы создано устройство равномерной засветки светочувствительной поверхности матрицы. Нелинейность и неоднородность чувствительности определялись регистрацией результатов приема прошедшего через калиброванный ступенчатый ослабитель излучения источника равномерной засветки и учитывались при обработке результатов ЭВМ. Для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерений применялась фоновая подсветка.

3. Разработана методика и создан комплекс аппаратных и программных средств для автоматизированного контроля метрологических характеристик тракта аналого-цифрового преобразования измерительной системы в статическом и динамическом режимах, обеспечивающие оценку нелинейности и собственных шумов тракта с точностью не хуже 0,052. Это позволяет использовать аттестованный тракт аналого-цифрового преобразования для оценки метрологических характеристик тракта фотоэлектрического преобразования системы.

4. Разработан комплекс программных средств прецизионного многоканального оптического анализа, построенный по модульному принципу, допускающий оперативное внесение изменений в состав применяемых алгоритмов. В состав комплекса включены модули, реализующие типичные для систем многоканального оптического анализа функции (съем и контроль информации, предобработка, статистическая, корреляционная, спектральная обработка результатов, графическое отображение информации и работа с графиками) и модули, учитывающие специфику эксперимента. Для проведения спектральных измерений по спектрограммам на фотопленке в состав комплекса введены функции юстировки проецирующего устройства, расшифровки спектра, измерения относительных и абсолютных интенсивностей спектральных линий с учетом нелинейности светочувствительности фотопленки, коррекции регистрируемого контура спектральной линии с учетом аппаратного уиирения, расчета параметров плазмы по измеренным интенсивностям.

Для проведения интерферометрического контроля качества оптических элементов в состав комплекса включены функции определения контраста наблюдаемых полос, расчета средних значений параметров интерференционной картины и построения идеальной интерферограммы, а также алгоритмы контроля качества оптических поверхностей по заданным критериям.

- 14 -

Комплекс программного обеспечения функционирует в режиме диалога и автономно, по заранее определенной схеме.

5. С использованием разработанных аппаратных и программных средств проведены спектроскопические исследования плазмы, образующейся при воздействии мощного излучения неодимового лазера на медную мишень; исследована динамика процесса плазмооб-разования. По обнаруженному возрастанию давления и плотности плазмы при удалении от мишени в приповерхностной области показано, что происходит доиспарение частиц мелкодисперсной жидко-капельной фазы материала мишени при их движении навстречу лазерному лучу.

6. Разработана методика юстировки многокомпонентных импульсных лазерных систем пикосекундного диапазона. Она позволяет проводить отладку модового режима генерации, контроль заполнения оптических элементов реальным световым полем, настройку усилительных и формирующих оптических трактов, настройку соосности между инжекционным излучением и осью регенеративных усилителей резонаторного типа, отладку и контроль сходимости излучений различных трактов на мишени-объекте, контроль и отладку спектральных характеристик излучения перестраиваемых по частоте лазерных источников.

7. Разработана методика юстировки широкоапертурных лазерных систем инфракрасного диапазона с целью получения равномерного во времени и пространстве излучения.

8. Предложена структурная организация автоматизированной системы интерферометрического контроля рельефа поверхностей-прецизионных оптических деталей, обеспечивающая точность измерений не хуже 0,03 мкм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Оптический анализатор для обработки изображений / А.П.Бык, В.Г.Кваченок, В.М.Лутковский, В.В.Ревинский, С.К.Тов-масян, А.Ф.Чернявский // Информационные проблемы в вычислительных сетях. Обработка изображений. Тез. докл. 8-й Всесоюзной конф. по теории кодирования и передачи информации. Ч. 3. -Москва - Куйбышев, 1981. - С. 107 - 108.

2. Автоматизированный комплекс для измерения пространственных и спектральных характеристик источников импульсного и

непрерывного оптического излучения / Л.П.Бык, В.В.Данилевич, В.В.Ревинский, А.М.Старовойтов, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский // Системы автоматизации научных исследований. Межвузовский тематический сборник. - М.. 1982, N 4. - С. 149 - 161.

3. Автоматизированный комплекс для измерений пространственных и спектральных характеристик источников импульсного и непрерывного оптического излучения / М.И.Демчук, В.П.Михаилов, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян // Тез.докл. 2-го Всесоюзного совещания ОСУ-84. - Барнаул, 1984. - С. 24.

4. Комплекс автоматизированных систем для исследований координатно-чувствительных фотоприемников и обработки изображений / А.П.Бык, Г.Кваченок, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян // Координатно-чувствительные фотоприемники, оптико-электронные устройства на их основе. Тез. докл. 3-го Всесоюзного совещания. Ч. 2. - Барнаул, 1985 - С. 133 - 134.

5. Концевой B.JI., Товмасян С.К. Использование оптического многоканального анализатора для настройки сложных оптических систем // Применение лазерной и оптико-электронной техники в народном хозяйстве. Тез.докл. 2-го универстетского семинара. -МИНСК, 1985. - С. 54 - 55.

6. A.c.: Устройство для автоматического измерения характеристики преобразования быстродействующих АЦП / В.В.Данилевич, В.Г.Кваченок, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян (СССР). - N 1181136; Заявлено 21.12.83; Опубл. 23.09.85, Бюл. N 35. - 4 с.

7. Оптический многоканальный анализатор для исследования двухмерных распределений интенсивностей / В.К.Гончаров, В.Г.Кваченок, А.В.Колесник, В.Н.Колесников, В.Л.Концевой, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский. - Препринт / Фи-эич. ин-т АН СССР: 12. - М., 1986. - 25 с.

8. Программное обеспечение систем автоматизации оптико-физических экспериментов / А.П.Бык, В.К.Гончаров, В.Г.Кваченок, В.Н.Колесников, В.Н.Кудинов, Р.И.Позняк, В.В.Ревинский, В.Б.Таранчук, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский. - Препринт / Фи-эич. ин-т АН СССР: 94. - М., 1986. - 13 с.

9. Позняк Р.И., Ревинский В.В., Товмасян С.К. Система обработки панорамных изображений для автоматизации оптико-физического эксперимента // Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях. Тез. докл. 8-й Всесоюзной конф. Секция 4. - Ленинград, 1986. - С. 21.

- 16 -

10. Автоматизированная система регистрации и обработки видеоинформации / А.П.Бык, С.М.Завгороднев, В.Г.Кваченок, С.К.Товмасян, В.В.Ревинский, А.Ф.Чернявский // Приборы и техника эксперимента. - 198?. - N 1. - С. 225.

11. Автоматизированная система контроля параметрров фотоприемников с зарядовой связью / С.М.Завгороднев, В.Г.Кваченок, В.В.Ревинский, В.О.Тимофеев, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский // Приборы и техника эксперимента. - 1987. - N 1. - С. 240.

12. Автоматизированная система фиксации и обработки панорамных изображений / В.Г.Кваченок, В.В.Лютинский, Р.И.Позняк,

B.В.Ревинский, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский, В.Б.Шилов // Приборы и техника эксперимента. - 1987. - N 2. - С. 219.

13. Регистратор оптичесгай многоканальный и его использование для исследования пикосекундного лазера на красителе /

C.В.Виноградов, В.В.Кузнецов, В.В.Лютинский, В.Н.Назаров, Б.С.Непорент, Г.Е.Николаев, Р.И.Позняк, В.В.Ревинский, А.В.Соколов, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский, В.Б.Шилов // Журнал прикладной спектроскопии. - 1987. - Т.46, N 37 - С. 514 - 518.

14. Влияние частиц жидкокапельной фазы на параметры приповерхностной лазерной плазмы / В.К.Гончаров, В.И.Карабань,

A.B.Колесник^ В.В.Ревинский, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский // Тез. докл. 3-го Всесоюзного совещания по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. - Одесса, 1988. - С. 47.

15. Исследование лазерных эрозионных факелов с помощью оптического многоканального спектроанализатора / В.К.Гончаров,

B.И.Карабань, А.В.Колесник, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский // Журнал прикладной спектроскопии. - 1989. -Т. 51, N 1. - С. 16 - 22.

16. Автоматизированный комплекс интерферометрического контроля рельефа плоских и сферических поверхностей / А.П.Бур-маков, Р.И.Позняк, В.В.Ревинский, С.К.Товмасян, А.Ф.Чернявский // Весц! акадэмИ навук БССР. Сер. ф!з1ка-тэхн1чных навук. -1990, N 2. - MiHCK: Навука 1 тэхн1ка. - С. 91 - 95.

.17. Данилевич В.В., Товмасян С.К. Встраиваемый в IBM PC многофункциональный счетчик-таймер с программируемой архитектурой // Сб.: Современные вопросы оптики, радиационного материаловедения, информатики, радиофизики и электроники.- Минск, 1996.- С. 452 - 456.

- 17 -

РЕЗШЕ. Товмасян Сергей Каралетович. АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МНОГОКАНАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧАХ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ.

Фотоприемник, пространственное разрешение, прибор с зарядовой' связью, аналого-цифровой преобразователь, лазер, плазма, спектр, интерферограмма.

Целью работы являлась разработка методов и средств регистрации пространственного распределения светового излучения импульсных и непрерывных источников для автоматизации широкого круга исследований в области фото- и спектрометрии.

Создана система многоканального оптического анализа на основе ПЗС-матрицы и связанного с ЭВМ блока регистрации.

Разработан комплекс аппаратных и программных средств для автоматизированного контроля метрологических характеристик тракта аналого-цифрового преобразования измерительной системы в статическом и динамическом режимах.

Предложен программно-алгоритмический комплекс для систем многоканального оптического анализа, обеспечивающий диалоговый режим работы и широкие возможности графического отображения и документирования результатов измерений.

С использованием разработанных аппаратных и программных средств исследована динамика процесса плазмообразования' при воздействии излучения неодимового лазера на медную мишень. Выявлено доиспарение частиц мелкодисперсной жидкокапельной фазы материала мишени при их движении навстречу лазерному лучу.

Разработана методика юстировки многокомпонентных импульсных лазерных систем пикосекундного диапазона и широкоапертур-ных систем инфракрасного диапазона.

Предложена структурная организация автоматизированной системы интерферометрического контроля.рельефа поверхностей прецизионных оптических деталей.

Результаты исследований могут быть использованы для контроля параметров современных многокомпонентных оптических систем, для оптимизации режимов лагерной обработки металлов, для контроля качества прецизионных поверхностей при производстве оптических приборов.

РЭЗЮМЭ. Таумасян Сяргей Карапетав1ч. АПАРАТНЫЯ I ПРАГРАМ-НЫЯ СР0ДК1 МНОГАКАНАЛЬНАГА АНАЛIЗУ ПРАСТОРАВА-ЧАСАВАЙ СТРУКТУРЫ ВЫПРАМЕНЬВАННЯ У СУЧАСНЫХ ЗАДАЧАХ ПРИКЛАДНОЙ ОПТЫК1.

Фотапрыеын1к, прасторавае вырашэнне, прыбор з зарадаваи .. сувяззю, аналагава-л1чбавы пераутваральн1к, лазер, плазма, спектр, 1нтэрфераграма.

Мэтай працы з-я^лялася распрацоука метадау 1 сродка? для рзг1страцы1 прасторавага размеркавання светлавога выпрамень-вання 1мпульсных 1 бесперапынных крын!ц для аутаматызацы1 шыро-кага круга даследавання? у гал!не фота- 1 спектраметры1.

Створана с!стэма многаканальнага аптычнага анал!зу на ас-нове ПЗС-матрыцы I звязаннага з ЭВМ блока рэг1страцы1.

Распрацаваны комплекс апаратных 1 праграмных сродкау для а^таматызаванага кантроля метралаг1чных характэристык тракта аналага-л!чбавага пера^тварэння вымеральнаи с!стэмы у статичным 1 дынам1чным ражымах.

Прапанован праграмна-алгарытм1чны комплекс для с!стэм многаканальнага аптычнага анап1зу, забяспечываючы дыялагавы рэжым працы 1 шырок!я магчымастц! граф1чкага адлюстравання 1 дакумен-тавання вын1каУ вымярэнняу.

3 выкарыставаннем распрацаваных ' апаратных 1 праграмных сродкау даследавана дынам1ка працэсу плазмаУтварэння пры уплыве выпраменьвання неодз!мавага лазера на медную м1шэнь. Выявлена давыпарванне часцщ дробнадысперснай вадкакропельнай фазы матэ-рыялу м1шэн1 пры 1х руху насустрач лазернаму праменю.

Распрацавана методыка юсц1равання многакампанентных 1м-пульсных лазерных с1стэм п1касекунднага диапазону 1 шырокаапер-турных с1стэм 1нфрачырвонага дыяпазону.

• Прапанавана структурная арган1зацыя аутаматызаванай с1стэ-мы 1нтэрфераметрычнага кантролю рэльефу паверхн1 нрэцыз1йных аптычных дэталяр.

Вын1к1 даследаванняу могуць быць выкарыстаны для кантролю параметра? сучасных многакампанентных аптычных с!стэм, для ап-.тым!зац11 рэжшау лазернай апрацоУк1 метала?, для кантролю якасц!.прэцыз!йных паверхняу пры вытворчасц! аптычных прыборау.

SUMMURY. Tovmaslan Sergey Karapetovlch. HARDWARE AND SOFTWARE FOR MULTICHANNEL ANALYSIS OF SPACE-AND-TIME RADIATIQN STRUCTURE IN MODERN PROBLEMS OF APPLIED OPTICS.

Photoreceiver, spatial resolution, charge coupled device, analog-to-dlgital converter, laser, plasma, spectrum, interfe-rogram.

The purpose of this Thesis Is the development of methods and means of registration of continuous and pulse light emission sources for the automatization of the extensive photo- and spectrometry research.

The system of multichannel optical analysis based on CCD-matrix and connected to computer filing block is developed.

The complex of hardware and software for computer-aided metrological performance controle of analog-to-dlgital converter in static and dynamic mode is developed.

Programme and algorithm complex for multichannel optical analysis system Insuring an on-line mode of operation and multiple opportunities for graphic display and filing of the results is suggested.

The research of plasma formation dynamics under the neody-mium laser emission on a copper target is carried out using the developed hardware and software. An additional evaporation of fine disperse fluid trickle particles phase of the target material streaming to laser beam is discovered.

The methods of adjustment of multichannel pulse laser systems in picosecond range and wide aperture Infrared range systems is developed.

The structural arrangement of computer-aided interferomet-rlc control system for the surface relief of precise optical parts Is suggested.

The results of research are applicable in the control of modern multichannel optical systems paramétrés, for optimizing the modes of laser treatment of metals, for quality control of high precision surfaces in manufacturing of optical devices.-