ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА, ФОТОНИКА

И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 535.36

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

В ПРОГРАММЕ РАСЧЕТА И СИНТЕЗА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

«ZEMAX» С ЦЕЛЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ СВЕТОРАССЕЯНИЯ

У МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

К.В. Дрыкин²

¹ФГБУ «Институт прикладной геофизики им. Академика Е.К. Федорова», Москва, Россия

²ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА», Анапа, Россия

^*E-mail: Egorosipov3440@gmail.com

Описана схема фотометрической установки, рассмотрены ее компоненты, принцип ее работы, указаны по-

грешности, возникающие при измерении коэффициента светорассеяния. В программной среде «Zemax» смо-

делирована модель установки, предназначенная для измерения коэффициента светорассеяния в математиче-

ских моделях оптических систем. Произведен анализ коэффициента светорассеяния для различных моделей

объективов.

ВВЕДЕНИЕ

щая большого объема времени для ее выполнения.

При прохождении света через оптическую си-

Цель работы: создание аналога фотометрической

стему происходит отражение части светового по-

установки в программе «Zemax» для измерения

тока от поверхностей линз, их торцов и внутрен-

коэффициента светорассеяния на математической

них частей оправы. Часть отраженного света после

модели требуемого объектива.

многократных отражений накладывается на изо-

В программной среде «Zemax» была смодели-

бражение в виде рассеянного света. Рассеянный

рована установка, предназначенная для измерения

свет создает дополнительную вредную засветку

коэффициента светорассеяния. С помощью создан-

изображения снимаемых предметов. Рассеянный

ной модели возможно измерить коэффициент све-

свет вызывает не только общее уменьшение кон-

торассеяния оптических систем в видимом и ин-

траста, но и обусловливает непропорциональную

фракрасном диапазонах. Данные, полученные при

передачу деталей яркости. Таким образом, рассеян-

измерении светорассеяния на модели установки, с

ный свет снижает функцию модуляции оптической

точностью до ±1% в видимом спектральном диапа-

системы.

зоне совпадают с данными измерений, проведен-

На этапе разработки оптической системы нельзя

ных на реальной установке измерения светорассе-

с высокой точностью определить значение коэф-

яния (аналога).

фициента светорассеяния. На сегодняшний день

измерение величины светорассеяния производится

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬАЯ ЧАСТЬ

только после полной сборки и юстировки оптиче-

Приведем краткое описание установки для из-

ского изделия на специальной предназначенной

мерения светорассеяния, описание ее работы, а

для этого фотометрической установке, поэтому

также приведем описание результатов, получаемых

разработчик оптической системы не может быть

при измерении коэффициента светорассеяния.

уверенным в том, насколько разрабатываемое им

На рис. 1 показана схема установки для измере-

изделие соответствует предъявляемым к нему тре-

ния светорассеяния [ГОСТ 24724-81].

бованиям технического задания. Расчет светорассе-

На рис. 1 показаны: 1 - фотометрический шар;

яния - это достаточно трудоемкая работа, требую-

2 - коллиматор, предназначен для создания парал-

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ...

матовой эмалью. Яркость черного предмета 4 не

должна превышать 0.001 яркости внутренней по-

верхности фотометрического шара 1.

Фокусное расстояние коллиматорного объек-

тива 2 должно быть равно внутреннему диаметру

шара. Световой диаметр коллиматорного объек-

тива 2 или диаметр отверстия шара 1 должен пре-

вышать диаметр входного отверстия изделия 8 не

менее чем на 10%. Рассеяние коллиматорного объ-

ектива должно быть минимальным. Конструкцией

крепления коллиматорного объектива 2 должна

быть обеспечена возможность быстрого удаления

объектива из шара и установки его на шаре.

В качестве коллиматорного объектива 2 допу-

скается использовать однолинзовый объектив, рас-

Рис. 1. Схема установки для измерения светорассеяния

считанный на минимум сферической аберрации,

рабочее относительное отверстие которого не пре-

лельного пучка лучей на входе в объектив; 3 - Коль-

вышает 1:5. Коэффициент рассеяния определяют с

цевой сегмент (с различными диаметрами) в шаре,

использованием коллиматорного объектива 2, если

для короткофокусных объективов ( f' = ≤ 30 мм) ди-

фокусное расстояние удовлетворяет неравенству:

аметр отверстия может быть 120 мм, а для объекти-

вов с f ' ≥ 50 мм диаметр берется от 20 до 40 мм,

10f ' > D_ш,

при диаметре шара 1 м; 4 - имитатор черного тела;

5 - источник света, на практике источником света

где D_ш - диаметр шара.

в шаре диаметром 1 м являются лампы накалива-

Если 10f ' ≤ Dш, то коэффициент рассеяния

ния мощностью 60 Вт; 6 - заслонки; 7 - диафраг-

определяется без применения коллиматорного

ма, ограничивающая пучки света, выходящие из

объектива.

коллиматора, диаметр диафрагмы равен диаметру

Внутренняя поверхность шара 1 освещается

объектива; 8 - испытуемое изделие; 9 - диафрагма

лампами накаливания или лампами дневного све-

приемник; 10 - фотоприемник; 11 - матовое стек-

та 5, помешенными в специальные гнезда. Не до-

ло; 12 - измерительный прибор.

пускается попадание прямых лучей от источников

Фотометрический шар 1 - основная часть уста-

света в выходное отверстие шара, в связи с чем

новки с двумя диаметрально противоположными

применяют заслонки. Питание источников света 5

отверстиями. В первом отверстии шара (выходном)

осуществляют от аккумуляторных батарей или от

устанавливают съемный коллиматорный объектив

сети стабилизированного напряжения с точностью

2, за которым помещают испытуемое изделие 8.

стабилизации напряжения ±1%.

Перед вторым отверстием шара (входным) по-

Источники света 5 должны быть расположены

мещают имитатор черного тела 4, в которое встав-

симметрично относительно выходного отверстия

ляют кольцевые или сплошные сменные сегменты,

шара. В установке должна быть предусмотрена

внутренняя поверхность которых образует продол-

возможность изменять число включенных источ-

жение поверхности шара.

ников света для регулирования яркости внутренней

Диаметры отверстий кольцевых сегментов

поверхности шара. Непосредственно за коллима-

должны позволять получать угловые размеры чер-

торным объективом должна быть расположена ди-

ного предмета φ_уг > 30′. Для юстировки испытуе-

афрагма 9, ограничивающая выходящий из шара 1

мого изделия в комплекте установки предусмотрен

пучок лучей. Держатель фотоприемника на специ-

сегмент с черным перекрестием на внутренней бе-

ализированной установке при определении коэф-

лой поверхности. Внутренние поверхности шара и

фициента рассеяния в центре поля зрения должен

сегментов окрашены белой матовой краской с ко-

иметь возможность юстировочного перемещения

эффициентом отражения от 0.85 до 0.9. Отверстие

вдоль оптической оси.

имитатора черного тела 4 установлено вплотную к

Измерения выполняют следующим образом. Ис-

входному отверстию шара 1. Внутренняя поверх-

пытуемый объектив ставится перед коллиматором,

ность имитатора 4 должна быть окрашена черной

ограничивается диафрагмой 7. Изображение чер-

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

А.В. ТЕРТЫШНИКОВ и др.

ного тела (кольцевого сегмента) попадает на прием-

приемника и снять с него показания, измеренные

ник 10, диаметр этого изображения ограничивается

в ваттах. Для этого необходимо перейти в меню

диафрагмой 9, после чего мощность сигнала сни-

Non - Sequential mode. Данное меню позволяет

мается с приемника оптического излучения 12. При

производить не последовательную трассировку

повторном измерении необходимо закрыть кольце-

лучей.

вой сегмент, таким образом на приемнике мы полу-

На рис. 2 показано окно Non - Sequential

чим равномерное распределение белого фона созда-

Сomponent Editor.

ваемого объективом и измеряем его мощность.

Первые две строчки определяют источник из-

Далее вычислим коэффициент светорассеяния - k.

лучения - колонки Z, X, Y position определяют ме-

стоположение источника, колонки Tilt about X, Y,

Z определяют наклон источников, колонка Layout

ч.т

⋅100%

rays определяет количество отображаемых лучей,

колонка Analysis rays показывает количество лу-

чей, анализируемых приемником, колонка Power

Измерения на данной установке проходят в руч-

задает мощность источника излучения, колонка

ном режиме, поэтому существует множество по-

wavenumber определяет длину волны излучения.

грешностей присущей данной установке:

Третья строка отображает сферу - фотометри-

• Погрешность несовпадения диаметра диафраг-

ческий шар, так же в колонках Z, X, Y position -

мы 7 и диаметра зрачка объектива;

местоположение сферы, в колонках Tilt about

• Погрешность несовпадения диаметра диафраг-

X, Y, Z - наклон сферы, в «колонке» материал

мы 9 и диаметра изображения черного тела;

ставим - mirror, так как лучи для попадания на

• Черное тело (кольцевой сегмент), коллиматор,

приемник должны отражаться от стенок шара,

объектив, приемник и диафрагмы должны быть

в колонкe radius выставляем значение радиуса

отъюстированы по одной оси, что на практике

сферы - 500 мм.

довольно трудно достижимо.

Четвертая строка определяет диафрагму, распо-

Программа

«Zemax» позволяет произвести

ложенную после коллиматора и перед объективом,

трассировку лучей от источника излучения до

Рис. 2. Окно Non - Sequential Сomponent Editor

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ...

Рис. 3. Изображение черного тела на приемнике

Рис. 5. Изображение черного тела на приемнике при

уменьшенной диафрагме

в «колонке» материал ставим - absorb, диаметр от-

Необходимо уменьшить диафрагму приемника

верстия выставляем равным диаметру объектива.

излучения, так при уменьшенной диафрагме изо-

Следующие строки задают коллиматор и иссле-

бражение черного тела на приемнике показано на

дуемый объектив.

рис. 5, изображение приемника без черного тела

Предпоследняя строка задает диафрагму перед

показано на рис. 6.

приемником, последняя строка задает приемник.

Для того что бы найти черную точку в изобра-

−4

жении используем Detector viewer, искомая черная

2.5⋅10

ч.т

⋅100%

=1.25%.

точка показана на рис. 3.

−2

2⋅10

Как видно из рис. 3, на приемник пришло

3‧10^-2 Вт. Теперь сравним этот результат с величи-

Что сходится с данными для испытуемого объ-

ной пришедшей энергии на приемник (без черного

ектива, полученными на реальной установке.

тела). На рис. 4 показано изображение приемника

Изображение самой созданной установки в про-

без черного тела.

грамме «Zemax» показаны на рис. 7.

Как видно из рис. 4, на приемник пришло

Приведем изображения установки и данных с

6.9‧10^-2 Вт. Тогда коэффициент светорассеяния:

приемника для исследуемого объектива с фокусом

−2

f ' = 1260 мм - рисунки 8, 9, 10.

ч.т

3⋅10

⋅100 %

⋅100%

43 %.

−2

6.9⋅10

−4

ч.т

5⋅10

⋅100%

=1.19%.

−2

4.2⋅10

Рис. 4. Изображение приемника без черного тела

Рис. 6. Изображение приемника без черного тела

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

А.В. ТЕРТЫШНИКОВ и др.

Рис. 7. Изображение созданной установки в программе

Рис. 9. Изображение черного тела на приемнике у объектива

«Zemax» при количестве трассируемых лучей - 20000

с фокусом f ' = 1260 мм

ВЫВОДЫ

В программе расчета и синтеза оптических си-

стем «Zemax» была разработана модель фотоме-

трической установки для измерения коэффициен-

та светорассеяния. Установлено, что результаты

измерений на смоделированной установке близки

к результатам измерений, полученным на реаль-

но существующей установке. Модель позволяет

устранить целый ряд погрешностей, связанных с

неточностью оборудования и человеческим фак-

тором, а проверить величину светорассеяния оп-

тической системы на этапе ее проектирования.

Программа расчета и синтеза оптических систем

«Zemax» позволяет использовать в своей среде

Рис. 10. Изображение приемника без черного тела у объектива

файлы, созданные в программах «Solidworks» и

без черного тела

Рис. 8. Фотометрическая установка с объективом f ' = 1260 мм

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ...

«КОМПАС», что дает возможность проверить све-

5. Mark Nocholson How to Compile a User-Defined

торассеяние моделей оптических систем в сборке.

Surface [Electronic resource] / Mark Nicholson. - Zemax

Knowledge Base. - Mode of access: http://www.zemax.com/

support/knowledge base/how-to-compile-a-user-defined

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

surface. - Data of access: 05.11.2019.

1. Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характери-

6. Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные

стик фоточувствительных приборов с зарядовой свя-

материалы [Nonmetalic structural materials]. Moscow,

зью. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, 54 с.

Moscow State Industrial University Publ., 2019.

2. Тарасов А.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные систе-

7. Spectrology - Spectroscopy & Optical Sensing Solutions.

мы смотрящего типа. - М.: Логос, 2014, 374 с.

Sampling Optics Define the Measurement. Salmonberry St.

3. Руководство пользователя пакетом программ

Wesley Chapel [Electronic resource]. - Mode of access:

«ZEMAX». Пер. с англ. А.Э. Наджип. Москва, 2015,

http://www.spectrology.com/sampling-optics/.

- Data of

774 с.

access: 05.11.2019

4. Крынин Л.И. Проектирование конструкции объекти-

вов. - СПб: НИ ИТМО, 2018, 296 с.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021