ChSTU repository

 
 
3 
 
 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП 5 
РОЗДІЛ 1. Характеристики оптичних приладів і методи їх  
застосування у вимірювальних системах 8 
1.1. Лазери, які використовуються у вимірювальних системах 8 
1.2. Основні види структурованого оптичного випромінювання  10 
1.3. Приймачі оптичного випромінювання 12 
1.4. Структура і типи фотоприймальних матриць 13 
1.5. Принцип роботи ПЗС – матриць 14 
1.6. Прилади з зарядовою інжекцією  17 
1.7. Лазерні методи вимірювання параметрів тривимірних об'єктів 18 
Висновки за розділом 1 21 
РОЗДІЛ 2. Аналіз оптичних методів візуалізації досліджуваних  
об'єктів і повороту площини 23 
2.1. Оптичний метод візуалізації твердих тіл 23 
2.2. Розрахунок елемента площини при відображенні пучка від  
дифузно розсіювальної поверхні 25 
2.3. Візуалізація повороту прямокутної площини оптичним методом 27 
2.4. Метод комп'ютерної обробки зображень 31 
2.5. Методика реєстрації дифракційних картин 38 
Висновки за розділом 2 39 
РОЗДІЛ 3. Аналіз характеристик оптико-електронного комплексу 40 
3.1. Структура оптико-електронного комплексу 40 
3.2. Оптична вимірювальна система оптико-електронного комплексу 41 
3.3. Характеристики елементів вимірювальної системи 43 
3.4. Відкалібрований датчик фотодіода 46 
3.5. Оптичний вимірювач потужності 48 
3.6. Вимірювач довжини хвилі оптичного випромінювання 48 
 
 
 
4 
 
3.7. Вимірювання довжини хвилі випромінювання лазерного модуля 50 
3.8. Вимірювання потужності лазерного модуля 51 
3.9. Вимірювання параметрів оптичного випромінювання після ДОЕ 52 
Висновки за розділом 3 55 
РОЗДІЛ 4. Оптико-електронний комплекс для визначення  
параметрів дифузно розсіюючих фігур 57 
4.1. Візуалізація геометричних параметрів дифузно розсіюючих  
плоских фігур з допомогою ТСВ 57 
4.2. Експериментальна установка для візуалізації плоских фігур і  
визначення їх параметрів 58 
4.3. Вимірювання зміщення непрозорого прямокутного екрану 66 
4.4. Візуалізація об'ємних об'єктів з допомогою СОВ 69 
4.5. Візуалізація об'ємних фігур з допомогою точково структурованого  
оптичного випромінювання 73 
4.6. Візуалізація дифузно розсіюючих плоских фігур з допомогою  
точково структурованого оптичного випромінювання 78 
4.7. Алгоритм цифрової обробки дифракційних картин 81 
Висновки до розділу 4 86 
ВИСНОВКИ 87 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 89 
ДОДАТОК А Акт впровадження  
ДОДАТОК Б Публікація  
ДОДАТОК В Презентація кваліфікованої роботи  
  
 
 
 
5 
 
ВСТУП 
 
 
Для визначення параметрів дифузно-розсіюючих плоских і об'ємних об'єктів, 
для їх якісної і кількісної візуалізації на практиці актуальним є застосування оптичних 
методів: прямого фотографування, голографічних, інтерференційних та ряду інших . 
Кожен з цих методів має свої особливості і використовується в конкретних 
ситуаціях. Методи прямого фотографування з подальшою обробкою отриманих 
зображень найбільш прості і широко поширені, однак вимагають додаткового 
калібрування для отримання чисельних значень геометричних параметрів 
фотографованих плоских і об'ємних фігур. Голографічні методи дозволяють 
отримувати тривимірну візуалізацію, однак складні в реалізації, інтерференційні 
методи володіють недостатньою роздільною здатністю . 
У даній роботі для візуалізації геометричних параметрів дифузно-розсіюючих 
плоских і об'ємних фігур застосовується структуроване оптичне випромінювання у 
вигляді впорядкованої сітки точкових джерел випромінювання із заданими 
відстанями між ними. Досліджувані фігури закріплюються на екрані висвітлюються 
точково-структурованим оптичним випромінюванням (ТСВ). Одержуване 
зображення реєструється цифровим фотоапаратом, обробляється на комп'ютері і 
відображається на екрані. Даний метод отримання фотографічного зображення 
досліджуваної фігури відрізняється від стандартного фотографування тим, що разом 
з отриманням зображення фігури, реєструється інформація про розташування 
точкових джерел випромінювання у складі ТСВ. Надалі зображення 
використовується для визначення геометричних параметрів досліджуваних фігур. 
Під терміном «оптико-електронні комплекси дослідження» розуміються 
системи, що використовують фотоелектронні перетворення з наступним 
вимірюванням параметрів електричного сигналу, що несе інформацію про оптичні 
характеристики досліджуваного об'єкта. Тонкі пучки формуються з допомогою 
дифракційних оптичних елементів (ДОЕ) і при поширенні зберігають свою 
заздалегідь задану поперечну структуру з високою точністю  для різних поверхонь. 
 
 
 
6 
 
В даний час добре розроблена технологія виготовлення дифракційних 
оптичних елементів високої якості, які широко використовуються в лазерної 
рефрактографії – сучасної вимірювальної технології, призначеної для візуальної і 
кількісної діагностики 
процесів в обсязі і прикордонних шарах рідин . Даний метод заснований на 
зондуванні досліджуваної середовища ТСВ, реєстрації пройшов середу 
випромінювання за допомогою цифрового фотоапарата та комп'ютерної обробки 
зображень. Формування ТСВ дозволяє забезпечити малу конусність пучків. Це дає 
можливість використовувати для опису ТСВ подання геометричної оптики. 
Розроблений метод безконтактного визначення параметрів плоских і об'ємних 
об'єктів, заснований на їх зондуванні ТСВ, призначений для використання в різних 
областях сучасної науки і техніки. Наприклад, при створенні автоматизованих систем 
безконтактної класифікації об'єктів за заданими параметрами з одночасним 
контролем якості їх поверхні та визначенням координат виявлених дефектів. Систем, 
що дозволяють проводити дослідження об'єктів, що перебувають під високою 
напругою, в важкодоступних місцях і т. д. Що обумовлює актуальність застосування 
розробленого методу. 
Мета і основні завдання дисертації 
Метою цієї роботи є створення оптико-електронного комплексу, заснованого 
на висвітленні досліджуваної фігури лазерними пучками спеціальної форми. 
Структуроване оптичне випромінювання (СОВ) створюється джерелом когерентного 
випромінювання з допомогою дифракційних оптичних елементів (ДОЕ). 
Предмет дослідження: Оптичні методи і технології візуалізації та обробки 
зображень для кількісного визначення параметрів плоских і об'ємних об'єктів з 
використанням структурованого оптичного випромінювання. 
Об'єкт дослідження: Оптичні і оптико-електронні системи, призначені для 
безконтактного вимірювання геометричних параметрів та візуалізації об'єктів 
складної форми. 
Для досягнення мети вирішені наступні задачі:створено вимірювальний 
комплекс та його різні модифікації для візуалізації плоских і об'ємних 
 
 
 
7 
 
фігур,проведені дослідження характеристик оптико-електронноговимірювального 
комплексу,проведені експериментальні дослідження об'єктів та оброблені отримані 
зображення,розроблені алгоритми реалізовані у вигляді програм обробки картин 
візуалізації,проведено оцінку точності роботи розробленого комплексу. 
  
 
 
 
8 
 
РОЗДІЛ 1 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧНИХ ПРИЛАДІВ І МЕТОДИ ЇХ 
ЗАСТОСУВАННЯ У ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМАХ 
 
 
1. 1 Лазери які використовуються у вимірювальних системах 
 
Лазерний модуль (лазерний діодний модуль) – пристрій, що складається, як 
правило, з лазерного діода, оптичних компонентів, що формують 
лазерне випромінювання, і електронного компонента, що здійснює живлення 
і керування лазерним діодом . Залежно від призначення, випромінювання лазерного 
модуля може бути колімованим або сфокусованим, мати форму точки, лінії або 
набору ліній, хреста, кола, решітки і т. п. 
Довжина хвилі модуля варіюється в діапазоні від ультрафіолету до середньої 
інфрачервоної (ІЧ) області. Потужність випромінювання може бути постійною або 
модулюватися цифровими або аналоговими сигналами. Це тільки основні параметри 
лазерного модуля. У певних випадках для збереження довжини хвилі 
випромінювання або вихідної потужності з високою точністю модуль може бути 
забезпечений системою термостабілізації лазерного діода. Цей же механізм може 
використовуватися для підстроювання в невеликих межах робочої довжини хвилі 
модуля. 
Застосування лазерних вимірювальних технологій важливо для багатьох 
галузей промисловості . До галузей, найбільшою мірою потребують в лазерних 
технологіях, відносяться радіоелектронна промисловість, телекомунікації, 
металургія, медицина та інші області. 
В даний час інтенсивний розвиток твердотілих лазерів призвело до створення 
волоконних лазерів. У них накачування забезпечується з допомогою лазерних діодів 
(ЛД), які володіють значним коефіцієнтом корисної дії (ККД), малими масою, 
габаритами і енергоспоживанням, високими експлуатаційними характеристиками. 
Лазерні діоди також використовуються для накачування волоконних лазерів  і 
 
 
 
9 
 
підсилювачів лазерного випромінювання. 
Газові лазери являють собою один з найбільш широко поширених типів 
квантових генераторів . Їх відмітними особливостями є: висока стабільність частоти, 
тимчасова і просторова когерентність випромінювання, можливість регулювати 
потужність випромінювання в дуже широких межах. Ці прилади конструктивно 
прості і, завдяки можливості змінювати характеристики газу і способи накачування, 
генерують в дуже широкому спектральному інтервалі (150...10 000 нм). На рисунку 
1.1 показано аргоновий лазер ЛГ 106 М4. 
 
Рисунок 1.1 – Аргоновий лазер ЛГ 106 М4 
 
В  представлений 2 – лазерний модуль (вуглекислотний лазер) і досвід його 
використання для виготовлення керамічних матеріалах отворів і порожнин. Лазери на 
газових сумішах, в яких посилення світла відбувається за рахунок коливальних 
переходів у молекулах вуглекислого газу лазери застосовуються в основному для 
обробки неметалів – різних пластиків, оргскла, дерева, керамічних виробів в 
електроніці стрижнів, підкладок для мікросхем, теплоізоляторів і тому подібних 
елементів. На рисунку 1.2 показаний газовий гелій-неоновий лазер. 
 
 
 
10 
 
 
Рисунок 1.2 – Газовий гелій-неоновий лазер 
 
Напівпровідникові лазери є незамінними комплектуючими сучасних 
фотонних та оптоелектронних систем високо ефективними джерелами оптичного 
випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль . 
Напівпровідниковий лазер і оптичне волокно – найважливіші винаходи 
минулого століття, мали колосальний вплив на технічний розвиток суспільства і 
заслужено відзначені Нобелівськими преміями у 2000 та 2009 роках відповідно. Ці 
типи лазерів широко використовуються у вимірювальних системах.  
Наприклад: 
- лазерні доплерівські вимірювальні швидкості; 
- лазерні далекоміри; 
- лазерні кутоміри; 
- лазерні медичні апарати. 
На рисунку 1.3 зображений малопотужний напівпровідниковий лазер. 
 
Рисунок 1.3 – Напівпровідниковий лазер 
 
 
1.2. Основні види структурованого оптичного випромінювання (СОВ) 
 
Оптичним випромінюванням називають електромагнітні коливання в 
 
 
 
11 
 
діапазоні з умовними кордонами від 1 нм до 1 мм . Оптичне випромінювання має 
подвійну природу і характеризується енергією кванта або довжиною хвилі. 
Довжина хвилі є характеристикою хвильової природи оптичного 
випромінювання. Рівняння монохроматичної хвилі можна представити у вигляді: 
 
E=E 0 sin(2πvt+φ 0 ) ,                                                  (1.1) 
де Е 0 – амплітуда хвилі; v – частота коливань; φ0 – початкова фаза хвилі.
 Довжина хвилі випромінювання у вакуумі пов'язана з частотою коливань  
λ= c/v, де с – швидкість світла.  
Оптичне випромінювання можна розділити на діапазони: ультрафіолетовий 
(УФ), видиме, інфрачервоне (ІЧ). Видиме випромінювання характеризується 
діапазоном довжин хвиль від 0,38 мкм до 0,76 мкм і знаходиться між УФ та ІЧ 
діапазонах. Більшість приѐмников випромінювання працюють в спектральній області 
поблизу видимого діапазону, яка ділиться на більш вузькі спектральні області. 
Спектральні діапазони не мають чітких меж, і розподіл на діапазони умовно. 
Структуроване оптичне випромінювання (СОВ) являє собою просторово 
модульоване по амплітуді випромінювання, що отримується з допомогою класичних 
оптичних елементів, дифракційних оптичних елементів (ДОЕ) та інших систем . 
Дифракційні оптичні елементи (ДОЕ) мають форму тонкої фазової пластинки 
зі спеціальним фазовим рельєфом, вигравіруваним на ній. 
Дифракція оптичного випромінювання таким оптичним елементом виробляє 
різні види просторово модульованого випромінювання, відомого як структуроване 
оптичне випромінювання. Воно використовується як з газовими, так і 
напівпровідниковими лазерами, генеруючими сильно астигматичні пучки. В таблиці 
1.1. показано основні види структурованого оптичного випромінювання. 
 
 
 
 
12 
 
Таблиця 1.1 –Основні види структурованого оптичного випромінювання 
Комбінацією основних елементів випромінювання можна створювати та інші 
джерела, адаптовані до структури неоднорідності і до форми поверхні тіл, поблизу 
яких досліджуються прикордонні шари. Для діагностики об'ємних неоднорідностей 
доцільно створювати вимірювальні сітки з елементарних джерел. 
Очевидно, що ідеалізоване уявлення перерізів СОВ у вигляді різних 
геометричних фігур справедливо у наближенні геометричної оптики, тому при роботі 
з реальними вимірювальними установками слід оцінювати похибку, обумовлену 
дифракційними ефектами. 
Наприклад, плоско-структуроване оптичне випромінювання, зване ще 
лазерної площиною (ЛП), в дійсності представляє астигматичний лазерний пучок 
еліптичного перерізу, дифракційна конусність якого визначається на основі відомих 
методів сучасної оптики. 
 
 
1.3. Приймачі оптичного випромінювання 
 
Приймачі оптичного випромінювання (ПВІ) – пристрій, призначений для 
перетворення енергії оптичного випромінювання в інші види енергії . Приймач 
 
 
 
13 
 
випромінювання є одним з найважливіших елементів сучасної оптико-електронної 
системи, характеристики якої в значній мірі визначаються властивостями ПОЇ. 
Вдосконалення технології виробництва та створення нових типів приймачів дозволяє 
істотно поліпшувати параметри систем і пристроїв з їх використанням. 
Джерела випромінювання випромінюють в певному спектральному діапазоні. 
Розподіл потужності випромінювання по довжинах хвиль або частотам коливань 
називають спектром випромінювання або спектральним складом випромінювання. 
Монохроматичним називається випромінювання, що характеризується однією 
довжиною хвилі. Ідеального монохроматичного випромінювання в природі не існує, 
тому на практиці під монохроматичним випромінюванням розуміють 
випромінювання, яке має вузький інтервал довжин хвиль. Більшість випромінювачів 
випускають немонохромове випромінювання і мають складні спектри. 
Оптичне випромінювання, взаємодіючи з чутливим елементом приймача, 
викликає зміну його електричних, теплових або інших характеристик. Ці зміни потім 
перетворюються в електричний сигнал або спостерігаються візуально. На сучасному 
рівні інтеграції часто складно розділити приймач випромінювання, його оптичну 
систему і електронну схему формування сигналу, усі ці компоненти можуть бути 
виконані всередині однієї мікросхеми або єдиного блоку. Однак по мірі інтеграції 
приймачі випромінювання можна умовно розділити на власне приймачі, що 
складаються з приймального майданчики та корпусу з контактами, і фотоприймальні 
модулі, до складу яких входять схеми живлення і управління, оптична схема і т. д. 
 
 
1.4. Структура і типи фотоприймальних матриць 
 
Фотоприймальні матриці (ФПМ) являють собою гратчасту організацію масиву 
комірок чутливі елементи в якому розташовуються на перетині рядків і стовпців . 
ФПМ виконує чотири основні завдання: генерує заряд від падаючих фотонів, збирає 
отримані заряди, переносить сумарний заряд і перетворює його в напругу. 
Одиночна осередок ФПМ називається пікселем. Хоча структура пікселів 
 
 
 
14 
 
залежить від типу сенсора, принципи їх роботи однакові. Падаюче світло потрапляє 
на фоточутливу зону пікселя, де генерує фотоелектрони (заряди), які збираються в 
потенційних ямах. Величина акумульованих заряду визначається числом падаючих 
фотонів випромінювання. Таким чином, потенційна яма містить інформацію про 
частини зображення у формі електричного заряду, породженого падаючим світлом. 
Час, за який збирається заряд, називається часом накопичення заряду. 
Для реалізації ФПМ розроблені два типи структур: ПЗС (прилади з зарядовим 
зв'язком) і ПЗІ (прилади з зарядовим інжекцією), які в технічній літературі часто 
називаються КМОП (комплементарний метало- оксидний напівпровідник) – за 
технології їх виготовлення. Реєстрацію випромінювання вони виконують однаково, 
але відрізняються методи переносу заряду і перетворення його в напругу. 
В особливий клас приладів можна виділити сенсори з внутрішнім посиленням 
на базі ПЗЗ, використовують лавинний ефект для посилення вихідного сигналу. Такі 
сенсори володіють високою чутливістю однак не знайшли широкого застосування у 
зв'язку з високою собівартістю виготовлення і складною схемою підключення. 
 
 
1.5 Принцип роботи ПЗЗ – матриць 
 
Перші комерційно доступні CCD – сенсори з'явилися в 1973 р. В сьогоднішній 
день ПЗС є спеціалізованими інтегральними схемами (ІС), що застосовуються для 
захоплення зображення . CCD – сенсори виконують менше функцій ІС, ніж CMOS – 
сенсори, але відносна простота структури дозволяє забезпечити більш високу якість 
зображення.  
Двовимірні приймачі зображення (ПЗС – матриці) являють собою двовимірну 
систему світлочутливих ПЗС–комірок і мають досить складну організацію переносу 
заряду і зчитування . Найбільш простий з конструктивної точки зору є повнокадрові 
ПЗС – матриця, яка показана на рисунку 1.4. Вона містить світлочутливі вічка 
(пікселі) – малюнок 1.5 і електроди перенесення, що утворюють в сукупності 
паралельний регістр зсуву, а також вихідний послідовний регістр, не чутливий до 
 
 
 
15 
 
світла і виконує тільки функції переносу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.4 – Осередок ПЗС матриці  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.5 – Повнокадрові матриця  
 
Послідовний реєстр зсуву є пристроєм з паралельним входом і послідовним 
виходом. Тому після зчитування всіх зарядів з реєстра є можливість сформувати 
безперервний аналоговий сигнал на основі двовимірного масиву зарядів. У свою 
чергу, вихідний паралельний потік для послідовного реєстру зсуву (тобто рядок 
двовимірного масиву зарядів) забезпечується сукупністю вертикально орієнтованих 
послідовних реєстрів зсуву, званих стовпцями ПЗС – матриці і складових 
паралельний реєстр зсуву. 
 
 
 
16 
 
Такий тип матриці потребує механічному затворі, перекриває світловий потік 
після експонування. До повного закриття затвора зчитування зарядів починати не 
можна – при робочому циклі паралельного реєстра зсуву до заряду кожного з пікселів 
додаються зайві електрони, викликані попаданням фотонів на відкриту поверхню ПЗЗ 
– матриці, що призведе до розмивання заряду. Також очевидно, що необхідно 
перекривати світловий потік йде з об'єктива, до завершення процесу зчитування, час 
якого обмежена швидкістю роботи як паралельного, так і послідовного реєстру зсуву. 
Від швидкості зчитування також залежить інтервал між експонуванням. 
Спеціально для відеотехніки був розроблений новий тип матриць з 
буферизацією стовпців показаний на рисунку 1.6, в якому інтервал між 
експонуванням безперервного потоку світла був мінімізований. В даній схемі 
використовується буферний (закритий від світла) паралельний реєстр зсуву, стовпці 
якого «перетасовані» між стовпцями основного реєстру. 
 
Рисунок 1.6 – Матриця з буферизацією стовпців  
 
В результаті поряд з кожним стовпцем основного регістру знаходиться 
стовпець буфера, а відразу ж після експонування заряди переміщуються не зверху 
вниз, зліва направо і всього за один робочий цикл потрапляють в буферний регістр, 
цілком і повністю звільняючи потенційні ями для наступного експонування. 
 
 
 
17 
 
Буферизація стовпців дозволяє також реалізувати електронний затвор, з 
допомогою якого можна відмовитися від механічного перекриття світлового потоку. 
З допомогою електронного затвора можна отримати надкороткі (до 1/10000 секунди) 
значення витримки, недосяжні для механічного замка. 
 
1.6. Прилади з зарядовим інжекцією (КМОП – матриці) 
 
Прилади з зарядовим інжекцією (ПЗІ), які також називаються КМОП– 
матрицями , є твердотільними приймачами зображення з координатною вибіркою, в 
яких для зчитування, зберігання і сканування використовується інжекція та 
перенесення зарядового пакету всередині окремих осередків зображення з 
координатною вибіркою, в яких для зчитування, зберігання і сканування 
використовується інжекція та перенесення зарядового пакету всередині окремих 
осередків. Дана структура дозволяє проводити вибірку інформаційного заряду від 
будь-якої комірки, використовуючи лише один перенесення. 
Теоретичні дослідження ПЗІ були виконані практично одночасно з ПЗЗ, однак 
перші комерційні сенсори з'явилися в 1993 р. Всередині кожного пікселя 
використовується підсилювач, що дає можливість перетворювати заряд напруга 
прямо в пікселі, як показано на рисунку 1.7. 
 
Рисунок 1.7 – Типова структура схема КМОП – матриці: структура 
розміщення допоміжних ланцюгів в мікросхемі 
 
 
 
18 
 
 
Крім зниження шумів, така структура реалізує довільний доступ до кожної 
клітинки матриці. З допомогою механізму довільного доступу можна виконувати 
зчитування вибраних груп пікселів, що дозволяє збільшити швидкість зчитування 
окремого фрагмента порівняно з CCD – сенсорами, які вимагають зчитування 
повного кадру. 
Додатково до підсилювача всередині пікселя підсилювальні схеми можуть 
бути розміщені в будь-якому місці ланцюга проходження сигналу, що дозволяє 
створювати підсилювальні каскади і підвищувати чутливість в умовах поганого 
освітлення. Кожен стовпець має свій власний аналогово – цифровий перетворювач 
(АЦП) для подальшої цифрової обробки сигналу. Усередині матриці зазвичай 
формуються додаткові схеми аналогової і цифрової обробки сигналу і схеми 
синхронізації для реалізації алгоритмів обробки сигналу всередині матриці в 
реальному часі малюнок 1.7. Проте всі додаткові ланцюги призводять до того, що у 
CMOS– сенсорів традиційно виникають такі труднощі, як високий рівень шуму, 
струм витоку і залишковий заряд. 
Прилади з зарядовим інжекцією відрізняються високою стійкістю до 
перезасвітлення і можуть використовуватися навіть при 1000 – кратних 
перезасвітленням. Однак найбільш приваблива їх особливість-це можливість 
програмування різних функцій. 
 
 
1.7. Лазерні методи вимірювання параметрів тривимірних об'єктів 
 
В  представлений оптоелектронний метод безконтактного вимірювання 
профілю поверхні великогабаритних об'єктів складної форми, відрізняється високою 
надійністю, стійкістю до змін оптичних властивостей поверхні об'єктів в широких 
межах. Для безконтактних вимірювань профілю поверхні тривимірних об'єктів 
найбільш перспективними є методи, розглянуті в . Вони засновані на висвітленні 
структурованим світлом і спостереження досліджуваного об'єкта. 
 
 
 
19 
 
Метод проекції інтерференційних смуг як один з найбільш доступних методів 
вимірювання координат об'єктів і сцен, яку можна застосувати при вирішенні 
обернених задач в динамічному голографічному дисплеї, де вимірювання координат 
необхідно для обчислення дифракційних структур при відновленні об'ємних 
зображень. 
Якщо поверхня об'єкта є оптично гладкою, то можна використовувати більш 
точні методи, такі як лазерні інтерферометрія. При інтерференційних вимірюваннях 
в якості еталону використовується довжина хвилі, яка є фізичною константою . 
Інформацію про поверхні об'єкта можна отримати за допомогою відновлення 
фази об'єктного хвильового фронту, реєструючи інтенсивності просторової і 
частотній областях. Схема встановлення структурованого освітлення наведена на 
рисунку 1.8. Установка складається із проектора і камери, осі яких спрямовані на 
досліджуваний об'єкт і розташовані під деяким кутом один до одного . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.8 – Схема установки структурованого освітлення: A – 
проектор, B - досліджуваний об'єкт, C – камера 
 
Приклади поверхонь, змодельованих в пакет 3D Studio Max, показані на 
рисунку 1.9. Результат відновлення форми поверхонь представлений на рисунку 1.10. 
З рисунку 1.10 видно, що форма поверхонь успішно відновлено для тих 
областей, які достатньо висвітлені, включаючи області з напівтоновими значеннями 
 
 
 
20 
 
яскравості. Оскільки відновлення проведено тільки для одного ракурсу при 
фіксованих геометричних співвідношеннях в системі освітлення-спостереження, не 
відновлена форма затінених ділянок. 
Цей недолік долається при спільній обробці даних, отриманих для декількох 
ракурсів висвітлення-спостереження, наприклад, при використанні декількох 
відеокамер або при обертанні об'єкта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.9 – Приклади поверхонь, освітлених одним з патернів 
 
 
Рисунок 1.10 – Результат відновлення змодельованих поверхонь  
 
 
 
 
21 
 
Для безконтактного відновлення форми тривимірних об'єктів може бути 
використаний метод структурованого освітлення із застосуванням бінарних патернів 
і різних методів попередньої фільтрації зображень. Пасивні оптичні методи 
(стереозображення) використовують природне зовнішнє освітлення і засновані на 
зіставленні даних, отриманих з двох ракурсів спостереження об'єкта під різними 
кутами 
Стереозображення використовує той же спосіб отримання тривимірної 
інформації, що зір людини і тварин . Для відновлення форми об'єкта потрібно 
встановити відповідність між всіма точками об'єкта. Ця інформація дозволяє 
визначити положення відповідної точки об'єкта в тривимірному просторі на основі 
геометричних співвідношень. 
Активні оптичні методи відновлення форми використовують штучне 
освітлення об'єкта . У цьому випадку на досліджувану сцену або об'єкт проектуються 
спеціально підібрані зображення – патерни, у зв'язку з чим такі методи одержали 
назву «методи структурованого освітлення». Активні оптичні методи в порівнянні 
пасивними володіють більшою точністю, простотою та надійністю. 
Завдання відновлення форми об'єкта може виникати в різних областях, 
пов'язаних з реєстрацією зображень. Відомо кілька підходів до вирішення цієї задачі 
. Існує група методів, які дозволяють отримати інформацію про форму об'єкта за 
непрямими ознаками, для чого в деяких випадках достатньо одного зображення. 
Наприклад, метод визначення форми по затемненню дозволяє оцінити нахили 
поверхні об'єкта з розподілу освітленості в площині його зображення. 
 
 
Висновки за розділом 1 
 
Проведено аналіз сучасних лазерів, найбільш широко використовуваних 
вимірювальних технологіях. Проаналізовано характеристики лазерів і їх області 
застосування. Показані приклади застосування лазерів для візуалізації дифузно 
розсіюючих предметів. Обґрунтовані вимоги до лазерних модулів, використовуваних 
 
 
 
22 
 
для оптичної візуалізації плоских і об'ємних фігур. 
Наведені приклади структурованого оптичного випромінювання (СОВ), 
одержуваних з допомогою дифракційних оптичних елементів (ДОЕ). 
Проведено аналіз приймачів оптичного випромінювання, що 
використовуються при створенні оптичної системи. Проаналізовано прилади для 
реєстрації відбитого лазерного випромінювання при зондуванні дифузно розсіюючих 
предметів. 
Проведено аналіз лазерних методів для безконтактного вимірювання профілю 
поверхні великогабаритних об'єктів складної форми. Розглянуто метод проекції 
інтерференційних смуг як одного з найбільш доступних технік вимірювання 
координат об'єктів. 
 
  
 
 
 
23 
 
РОЗДІЛ 2 
АНАЛІЗ ОПТИЧНИХ МЕТОДІВ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ДОСЛІДЖУВАНИХ 
ОБ'ЄКТІВ І ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ 
 
 
2.1. Оптичний метод візуалізації твердих тіл 
 
Принцип візуалізації плоских фігур заснований на використанні 
структурованого оптичного випромінювання (СОВ), одержуваного з допомогою 
дифракційних оптичних елементів, зондувальних досліджуваний об'єкт і реєстрації 
частини пучків, що пройшли повз об'єкта . 
Оптичне випромінювання, пройшовши через дифракційну оптичний елемент 
(ДОЕ), дає сукупність елементарних лазерних пучків, які можуть складатися з набору 
вертикальних і горизонтальних прямих. Назвем площину, перпендикулярну виходить 
з ДОЕ сукупності елементарних лазерних пучків, вихідної площиною. Для отримання 
інформації від досліджуваного об'єкта необхідно помістити цифровий фотоапарат під 
заданим кутом до початкової площини. Тоді на зображенні, реєстрованими цифровим 
фотоапаратом, відстань між сусідніми елементами дифракційної картини буде різним 
залежно від форми поверхні досліджуваного об'єкта і кута між прямій, 
перпендикулярній площині цифрового фотоапарата та вихідної площиною. 
Вимірявши цей кут і проаналізувавши отримані зображення, можливо відновити 
форму поверхні досліджуваного об'єкта. 
По фотографії обчислюються координати точок перетину вертикальних і 
горизонтальних ліній. Ці дані в подальшому використовуються для візуалізації 
поверхні досліджуваного об'єкта. При цьому для фотознімків сукупності слідів 
елементарних оптичних пучків, розташованих на поверхні предмета, один чи кілька 
фотоапаратів, встановлених під деяким кутом відносно один одного. 
У даному методі застосовується структуроване оптичне випромінювання 
(СОВ), сформована з допомогою спеціальних оптичних елементів безпосередньо на 
виході джерела. При такому підході зберігається висока когерентність і мала 
 
 
 
24 
 
конусність пучків, тому для опису моделі 
СОВ можна використовувати основні положення геометричної оптики. Ця 
модель може бути представлена групою променів, що утворюють поверхні у вигляді 
дискретного набору площин . 
Класичні оптичні елементи дозволяють отримувати СОВ обмеженого виду: 
вузький пучок, площина, хрест. Ситуація покращилася з появою компактних ДОЕ, що 
виготовляються методами дифракційної оптики. При проведенні зйомки з допомогою 
простого фотоапарата виходить плоске зображення, при цьому втрачається 
об’ємність. Для фотографування об'ємних предметів використовується стереозйомка. 
Стереозйомка — це отримання стереопари зображень фотографічним способом. 
Стереопара являє собою поєднання двох зображень одного і того ж об'єкта з різних 
точок зору. Одне зображення призначається для лівого, а інше — для правого ока. 
При розгляді стереопари, наприклад, в стереоскоп зображення об'єкта сприймається 
з такою ж локальної глибиною, що й сам об'єкт. 
Основою стереофотографії є виготовлення двох подібних, але не ідентичних 
фотозображень, отриманих з двох точок зйомки щодо об'єкта. Дійсне відстань між 
точками зйомки називається базовим відстанню або базисом фотозйомки; величина 
його визначається тим, як повинен виглядати об'єкт на стереозображення. В 
ідеальному випадку осі фотокамери і об'єктивів в цих двох положеннях (точках) 
повинні бути паралельні. Надлишкова збіжність осей об'єктивів призводить до 
помітної зміни масштабу вздовж горизонталі зображення; на парних знімках це зміна 
відбувається в протилежних напрямках. 
Одним з існуючих методів візуалізації об'єктів трьовимірних є вимірювання 
форми з використанням проектуванням інтерференційних смуг . Нелокалізована 
інтерференційна картина, що утворюється при детектуванні двох пучків світла 
(наприклад, картина, отримана в інтерферометрі Майкельсона), може бути 
використана для формування інтерференційних смуг на поверхні предмета. Смуга 
з'являється щоразу, коли поверхня предмета перетинає інтерференційну смугу в 
світловому пучку. Форма цих інтерференційних смуг залежить від форми поверхні і 
від напряму спостереження. 
 
 
 
25 
 
Для вирішення цієї задачі застосування СОВ істотно простіше, ніж 
використання двопроменевого інтерферометра, тому що ДОЕ дозволяє отримувати 
СОВ з більш вузькими смугами, ніж у двопроменевих інтерферометрах, що підвищує 
точність вимірювань. 
Принципова схема даного експерименту представлена на рисунку 2.1. 
Випромінювання напівпровідникового лазера (1) з довжиною хвилі 
випромінювання 532 нм, потужністю 2,3 мВт поширюється вздовж осі оптичної 
системи, що проходить через ДОЕ (2), яке може формувати різні дифракційні 
картини, фокусується лінзою (3) на досліджувану поверхню (4), розсіяне 
випромінювання реєструються за допомогою цифрового фотоапарата (5). 
 
 
 
Рисунок 2.1 – Принципова схема експерименту (вид зверху): 1 – лазер, 2 
– ДОЕ, 3 – лінза, 4 – досліджувана поверхня, 5 – цифровий фотоапарат 
 
2.2. Розрахунок елемента площині при відображенні пучка від дифузно 
розсіювальної поверхні 
 
На виході з ДОЕ можуть виходити різні дифракційні картини: вертикальні або 
горизонтальні прямі, сітка з прямих, сітка з точок і т. д. Для теоретичного розрахунку 
розглянемо дифракційну картину з вертикальних прямих. Розглянемо, як будуть 
змінюватися відстані між сусідніми прямими на зображенні при розташуванні 
 
 
 
26 
 
цифрового фотоапарата під кутом до початкової площини малюнок 2.2. 
 
 
Рисунок 2.2 – Розрахунок  відстані між вертикальними прямими на 
зображенні на площині, яке отримано з цифрового фотоапарата: 1 – два 
падають на поверхню об'єкта пучка з сформованого ДОЕ структурованого 
оптичного випромінювання, 2 – досліджувана поверхня, 3 – напрямок прийому 
розсіяного випромінювання, 4 – площина зображення, реєстрованого 
цифрового фотоапарата. 
 
 
 
а кут,                                                                                                       (2.1) 
 
Таким чином, відстань на зображенні, одержуваному цифровий фотоапарат, 
від центральної вертикальної прямої до n-ної рівно: 
 
                                                        (2.2) 
 
 
 
 
 
 
27 
 
2.3. Візуалізація повороту прямокутної площини оптичним методом 
 
Для виявлення зміни стану складних об'єктів розроблений ряд оптичних 
методів, таких як: метод кореляції фонових зображень, голографічний, 
інтерференційний . Реалізація цих методів вимагає дорогої оптико електронної 
апаратури. В даній роботі для рішення такого роду завдань пропонується 
використовувати простий оптичний метод вимірювання повороту, заснований на 
використанні структурованого оптичного випромінювання (СОВ). 
На досліджуваний об'єкт направляється СОВ. З допомогою цифрової 
фотокамери виходить зображення слідів пучків СОВ, зондувальних досліджувану 
площину при перпендикулярному спостереженні, а також при спостереженні 
площині, повернутого на деякий кут . На отриманих зображеннях визначається 
відстань між одними і тими ж елементами слідами пучків СОВ на поверхні 
візуалізованого об'єкта, далі з допомогою розрахункових формул знаходиться кут 
повороту площини. 
Схема експерименту для візуалізації повороту площини оптичним методом 
показана на рисунку 2.3. Випромінювання від лазера (1) проходить через дифракційну 
оптичний елемент (ДОЕ) (2), фокусується лінзою (3), формує структуроване оптичне 
випромінювання (СОВ) (4), падаюче на візуалізовану площину (5), яку можна 
повертати на будь-який кут. З допомогою цифрової фотокамери (6) реєструються 
зображення площини, повертається на різні кути, зображення площині обробляється
 на комп'ютері (7). При цьому фотокамера надійно закріплена і нерухома (кут β 
постійний). 
 
 
 
 
28 
 
 
а 
 
 
 
б 
 
Рисунок 2.3 – Схема експерименту: 1 – лазер, 2 – ДОЕ, 3 – лінза, 4 – СОВ, 
5 – візуалізуючу площину на обертовому колі, 6 – цифрова фотокамера,  
7 – комп'ютер для обробки даних; А, Б – поворот на площині різні кути 
 
 
 
 
29 
 
 
Рисунок 2.4 – Схема для геометричних розрахунків: 1 – два пучка з 
сукупності пучків СОВ, 2 – площина, повернута на кут β, 3 – площина 
реєстрації зображення 
 
 
Виведемо необхідні розрахункові формули. Дано: α, AB, MN. Необхідно 
знайти β. 
 AB
 AMB : cos  ,  
AM
 
   MN
 AMN : sin(  )  ,  
AM
 
 sin(   MN cos
)  ,  
AB
   90  ,  
    MN cos
 sin sin  cos cos  ,  
AB
Основна формула, що зв'язує змінні величини, має вигляд: 
 
 
 
30 
 
 sin tan  cos MN
 ,  
AB
З неї отримуємо додаткові формули для знаходження кожної конкретної 
величини при відомих інших параметрах: 
 MN  ABcos
  arctg  
 ,                                          (2.3) 
 ABsin 

 
 MN  AB(sin t g  cos ),                                         (2.4) 
MN
 AB  .                                         (2.5) 
sin t g  cos
 
При проведенні експерименту задається кут 39. Далі наступні зображення при 
різних кутах повороту площини (через 5°). 
 
 
39° 44° 49° 
 
54° 59° 64° 
 
69° 74° 79° 
Рисунок 2.5 – Отримані зображення при різних кутах повороту площині. 
 
Для кожного зображення вимірюється параметр NM (у пікселях): 
 
 
 
31 
 
 
Рисунок 2.6 – Відстань між сусідніми пучками 
 
Вимірювання краще проводити на центральних слідах пучків СОВ для 
зменшення похибки. У самому справі, так як площину повѐрнута на деякий кут 
відносно площини, перпендикулярної площині поширення СОВ, то різні ділянки 
визуализируемой площині знаходяться на різній відстані від ДОЕ. У свою чергу, 
лазерні пучки, пройшовши через ДОЕ, розходяться, і чим далі від ДОЕ, тим більше 
розбіжність. 
 
 
2.4. Метод комп'ютерної обробки зображень 
 
Для надійного вимірювання параметра NM застосовується наступна методика 
обробки зображень за допомогою програми MathCAD . 
Виділяється фрагмент зображення, необхідний для обробки шляхом обрізки і 
зчитується: a:=READBMP(―image.bmpǁ). 
 
Рисунок 2.7 – Вихідне зображення після зчитування 
 
 
 
 
32 
 
Задається ряд параметрів: 
b:=210 – поріг яскравості (більш темніші точки будуть прибрані); z:=255; 
y:=254 – змінні, які не впливають на кінцевий результат. Ці параметри необхідні для 
проміжних обчислень і візуалізації проміжних зображень, одержуваних у процесі 
обробки. Для якісної візуалізації бажано, щоб вони приймали значення близькі до 
255, і при цьому необхідно, щоб  x:=5 – кількість враховуються пікселів 
(використовується в подальшому); h:= rows(a) – кількість рядків «а»; w:= cols(a) – 
кількість стовпців «а». 
Точкам з рівнем яскравості вище b присвоюється значення z (в даному разі 
255). Іншим точкам присвоюється нуль (порогова фільтрація). 
 
 
Рисунок 2.8 – Фрагмент програми 
 
 
 
Рисунок 2.9 – Виділяються тільки яскраві точки, іншим присвоюється 
значення яскравості нуль (інверсія кольору) 
 
 
 
 
33 
 
Виділяються області з великою концентрацією світлих точок. Якщо підряд 
йдуть декілька (точніше, x ) таких точок (сума значень цих точок повинна бути 
дорівнюєx z ), то точки на цьому яскравому ділянці зберігаються, інакше –
прибираються (присвоюється нуль). 
 
 
Рисунок 2.10 – Фрагмент програми 
 
 
 
Рисунок 2.11 – Залишаються точки, які лежать в області великої 
концентрації (інверсія кольору) 
 
Для кожної смуги виділяються ліва і права межі. Якщо в рядку виявляються x 
йдуть підряд темних точок, а потім x йдуть підряд світлих, це розглядається як ліва 
межа. Відповідній точці присвоюється значення  z . Якщо ж деякій точці передують x  
поспіль йдуть світлих точок, а потім x темних, це – права межа, точка на цій кордоні 
 
 
 
34 
 
отримує значення y . Наявність поспіль йдуть точок перевіряється   заданою сумою їх 
значень, нуль для темних і x z для світлих 
 
Рисунок 2.12 – Фрагмент програми 
 
 
 
Рисунок 2.13 – Межі пучків СОВ (інверсія кольору) 
 
Знаходиться середнє арифметичне для кожної пари прикордонних точок. 
Параметр left ліву позначає кордон пучка, параметр right – праву. Цим 
параметрами присвоюється номер точки, що лежить на лівій або правій межі пучка.  
У циклі відбувається простий перебір значень усіх точок порядково, зліва 
направо. Як тільки трапляється яскрава точка зі значенням z , її номер у рядку 
присвоюється параметру left – ліва межа. Далі, як тільки трапляється яскрава точка 
зі значенням y знаходиться параметр right – права межа. Потім обчислити їх середнє 
арифметичне, застосовується функція trunc (відкидання дробової частини), і 
 
 
 
35 
 
знаходиться середина пучка СОВ. 
При цьому важливо, що середина пучка обчислюється тільки після того, як 
будуть визначені послідовно спочатку саме ліва межа, а потім права. Після 
обчислення середини пучка параметри left і right обнуляються, інакше програма 
могла б знайти середину між правою кордоном пучка № N і лівої кордоном пучка № 
N+1, тобто, в обчисленнях з'явилися б «паразитні» дані. 
 
 
Рисунок 2.14 – Фрагмент програми 
 
 
Рисунок 2.15 – Середина пучків СОВ (інверсія кольору) 
 
 
 
36 
 
Тепер необхідно знайти середнє відстань між пучками параметрNM . Для 
цього шукається середнє арифметичне між сусідніми точками в 
кожному рядку. Підсумовуються відстані між сусідніми яскравими точками, а 
також кількість таких відстаней. 
 
 
Рисунок 2.16 – Фрагмент програми 
 
Із-за особливостей даного алгоритму в деяких рядках може виявитись 
недостатньо точок, і тоді середня порахована програмою відстань між пучками буде 
в кілька разів більше середнього реального значення (це помітно для рядка 9 в даному 
прикладі). Крім того, в деяких рядках яскравих точок може не виявитися взагалі. 
Необхідно не враховувати такі рядки. Для цього вручну задаєтся параметр u – оцінка 
середнього значення. Також задаєтся m (у відсотках) – відхилення від оціночного 
середнього. Наприклад, в  даному випадку задано m 10% яскравих точок немає взагалі, 
або перевищує середню в кілька разів, де пропущено одну або кілька яскравих точок) 
відхиляється від оціненого оператором. 
 
 
 
37 
 
Далі обчислюється середнє арифметичне всіх значень – параметр r . 
Як видно, воно близьке до оцінки, однак, на відміну від останньої, є досить 
достовірним математичним результатом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.17 – Фрагмент програми 
 
Значення r вноситься в таблицю стовпець NM . Потім, за формулою (2.3) 
розраховується кут повороту β площині і похибки. Результати заносяться в таблицю 
2.1. 
В результаті проведеного експерименту підтверджена правильність виведених 
формул. Розроблена програма обробки зображень. До її достоїнств відносяться 
незначний обсяг і простота обчислень. 
Істотним недоліком є необхідність ручного введення деяких 
параметрів в процесі обчислень, що не дозволяє застосовувати програму для 
обробки великих (сотні, тисячі) масивів зображень, однак програма застосовна для 
швидкої і досить точної обробки невеликої кількості зображень (до декількох 
десятків) за короткий термін. 
 
 
 
 
 
 
 
 
38 
 
Таблиця 2.1. Результати вимірювань і розрахунків 
заданий кут повороту відстань NM, виміряний кут похибка, 
площині β, ° пікселів повороту площині β, ° % 
39,0 137 39,0  
44,0 146 43,4 0,6 
49,0 158 48,3 0,7 
54,0 172 53,1 0,9 
59,0 189 57,8 1,2 
64,0 214 63,0 1,0 
69,0 244 67,4 1,6 
74,0 298 72,7 1,3 
79,0 443 79,5 0,5 
 
 
 
2.5. Методика реєстрації дифракційних картин 
 
Джерело оптичного випромінювання створює вузький поляризований пучок, 
який спрямовується на ДОЕ . При юстуванні він обертається навколо оптичної осі для 
отримання максимальної різкості дифракційної картини. Після ДОЕ виходить багато 
дифрагованих вузьких пучків, які направляються на колімуючий об'єктив, створює 
матрицю паралельних пучків, що розповсюджуються вздовж оптичної осі. На екрані 
виходить зображення дифракційної картини, що реєструється з допомогою 
цифрового фотоапарата. На рисунку 2.18. показано приклади трьох картин 
візуалізації. 
 
 
 
39 
 
 
А Б в  
Рисунок 2.18 – Реєстрація дифракційних картин на екрані: а – 
освітлений екран, б – зображення прямокутника, в – збільшений елемент 
прямокутника, N – відстань між елементами точково структурованого 
оптичного випромінювання  
 
 
Висновки за розділом 2 
 
Наведено результати вимірювань параметрів плоских тіл, засновані на 
використанні СОВ, одержуваного з допомогою ДОЕ, зондувального досліджуваний 
об'єкт і реєстрації з допомогою цифрового фотоапарата. 
Отримані цифрові фотографії дифракційних картин, що формуються після 
проходження оптичного випромінювання через ДОЕ, при їх спостереженні 
перпендикулярно поверхні досліджуваного об'єкта. Проведені розрахунки відстаней 
між вертикальними прямими на зображенні площині, реєструється за допомогою 
цифрового фотоапарата. 
СОВ направляється на досліджуваний об'єкт і за допомогою цифрової 
фотокамери виходить зображення при перпендикулярному площині спостереження, 
а також при спостереженні об'єкта поверненого на заданий кут. Проведені розрахунки 
кута повороту плоскій поверхні за допомогою ДОЕ. 
  
 
 
 
40 
 
РОЗДІЛ 3 
АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННОГО 
КОМПЛЕКСУ 
 
 
3.1. Структура оптико-електронного комплексу 
 
Оптико-електронними називаються комплекси, в яких інформація про 
досліджуваному або спостережуваному об'єкті переноситься оптичним 
випромінюванням або міститься в оптичному сигналі, а її первинна обробка 
супроводжується перетворенням енергії оптичного випромінювання електричну 
енергію. Оптико-електронні комплекси, в силу ряду важливих властивостей і переваг, 
всі більшою мірою впроваджуються в багатьох галузях науки і практики. Поряд з цим 
відбувається подальший інтенсивний розвиток оптико-електроніки як науки  і як 
галузі приладобудування, вдосконалюються теоретичні засади та принципи 
побудови, схемні вирішення, методи аналізу і синтезу оптико-електронних 
комплексів . 
Сучасні оптико-електронні комплекси являють собою, як правило, 
багатоканальні системи функціонально пов'язані. Закономірні зв'язку, що знаходяться 
в природі, виявляються найчастіше в чисельній формі, в результаті кількісних оцінок 
спостережуваних об'єктів і явищ. Оптичні методи дослідження та вимірювання 
параметрів твердих тіл відносяться до найбільш точним розділів сучасної науки. 
Розроблено оптико-електронний комплекс кількісної візуалізації параметрів 
досліджуваних плоских і об'ємних фігур з допомогою точкового структурованого 
оптичного випромінювання (ТСВ), одержуваного від джерел когерентного 
випромінювання з допомогою різних дифракційних оптичних елементів (ДОЕ). У 
даній роботі використовується ТСВ у вигляді впорядкованої сітки точкових джерел 
оптичного випромінювання із заданими відстанями між ними. Досліджувані плоскі 
та об'ємні фігури закріплюються на плоскому екрані висвітлюються за допомогою 
ТСВ. Одержувані зображення фотографуються цифровим фотоапаратом і далі 
 
 
 
41 
 
відтворюються на екрані комп'ютера і обробляються за допомогою комп'ютерної 
програми. 
 
 
3.2. Оптична вимірювальна система оптико-електронного комплексу 
 
Розроблений вимірювальний комплекс призначений для визначення 
параметрів дифузно розсіюючих плоских фігур: місця розташування, форми і 
структури . Комплекс можна застосовувати на відстані до 1 м. 
Джерело оптичного випромінювання – монохроматичний поляризований, що 
випромінює на довжині хвилі 532 нм, потужність випромінювання 2,3 мВт, вихідний 
діаметр пучка становить 2 мм. Комплекс встановлений на нерухомому штативі. 
Дифракційний оптичний елемент (ДОЕ) являє собою круглу пластинку 
товщиною 1 мм, діаметром 5 мм, укріплену на регульованою по висоті стійки. Після 
ДОЕ внаслідок дифракції когерентного оптичного випромінювання виходить різні 
зображення СОВ. 
Лазерний пучок направляється на дифракційну оптичний елемент (ДОЕ), на 
виході якого формується система розбіжних вузьких лазерних пучків. 
Оптична система являє собою багатолінзевий об'єктив діаметром 75 мм і 
фокусною відстанню 750 мм. За рахунок підбору відстані між ДОЕ і цим об'єктивом 
забезпечується паралельність системи лазерних пучків на виході даного об'єктива. 
Об'єктив встановлений на штативі, регульованим по висоті, відстані і місця 
розташування. Екран являє собою білу пластикову пластину, на якій закріплюються 
досліджувані фігури. Реєстрація зображень предметів на екрані здійснюється 
цифровим фотоапаратом, встановленим на відстанях від 15 мм до 50 мм до 
досліджуваної фігури, результати реєстрації відображається на екрані комп'ютера. 
Приведено докладний опис методики візуалізації та обробки двовимірних і 
тривимірних картин візуалізації. Показано приклади визначення геометричних 
параметрів різних плоских і об'ємних фігур при їх різних положеннях на екрані. 
Даний метод безконтактного визначення параметрів плоских і об'ємних фігур може 
 
 
 
42 
 
знайти широке застосування в різних областях сучасної науки і техніки. Наприклад, 
при створенні автоматизованої системи безконтактної класифікації фізичних об'єктів 
за заданими параметрами. 
Комп'ютерне моделювання міцно посіло своє місце у фундаментальних і 
прикладних науках, зокрема, в дослідженні механіки і фізики процесів контактування 
реальних технічних поверхонь тертя і зношування, електричних контактів, 
контактного теплообміну. В даний час домінують чисельні методи і математичні 
моделі, реалізовані за допомогою комп'ютерних технологій. Проте можливості цих 
методів обмежені теоретичними припущеннями про параметри середовища, які лише 
частково збігаються з реальними. 
Розроблений оптико-електронний комплекс для візуалізації геометричних 
параметрів дифузно розсіюючих плоских фігур за допомогою структурованого 
оптичного випромінювання показаний на рисунку 3.1. Комплекс складається з 
когерентного джерела оптичного випромінювання 1, ДОЕ 2, об'єктива 3, екрану 4 і 
цифрового фотоапарата 5. Всі оптичні елементи розташовані на оптичній лаві 6. 
Комплекс призначений для визначення параметрів дифузно розсіюючих плоских 
фігур: місця розташування, форми і структури. 
Дифракційні оптичні елементи широко використовуються в лазерної 
рефрактографії – сучасної вимірювальної технології, призначеної для візуальної і 
кількісної діагностики процесів в обсязі і прикордонних шарах рідин . Даний метод 
заснований на зондуванні досліджуваної середовища структурованим оптичним 
випромінюванням (СОВ), реєстрації пройшов середу випромінювання за допомогою 
цифрового фотоапарата та комп'ютерної обробки зображень. Формування СОВ 
дозволяє зберегти високу когерентність і забезпечити малу конусність пучків. Це дає 
можливість використовувати для опису СОВ подання геометричної оптики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
43 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.1 – Схема установки: 1 – джерело оптичного випромінювання,  
2 – ДОЕ, 3 – об'єктив, 4 – екран із закріпленим на ньому об'єктом,  
5 – цифровий фотоапарат, 6 – оптична лава 
 
 
3.3. Характеристики елементів вимірювальної системи 
 
На рисунку 3.2 зображений лазерний модуль з блоком живлення, що дозволяє 
отримати оптичне випромінювання з довжиною хвилі 532 нм і потужністю 
випромінювання 2,3 мВт. 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.2 – Фото лазерного модуля з блоком живлення 
 
В експериментах використовувалися різні ДОЕ. На рисунку 3.3 показана 
сукупність з дев'яти різних дифракційних оптичних елементів (ДОЕ), які встановлені 
на обертових диску. Це дозволяє отримувати різні дифракційні картини. 
 
 
 
 
 
 
44 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.3 – Сукупність дифракційних оптичних елементів (ДОЕ), 
закріплених на поворотному диску 
 
На рисунку 3.4 наведено різні зображення СОВ, отримані з допомогою ДОЕ 
на плоскому екрані, встановленому перпендикулярно напряму розповсюдження 
оптичного випромінювання . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.4 – Різні зображення СОВ, отримані з допомогою ДОЕ 
 
 
 
 
45 
 
Оптична система являє собою баготолінзовий об'єктив фірми ЛОМО ПРО-2 
діаметром 75 мм і фокусною відстанню 750 мм. Зображення об'єктива показано на 
рисунку 3.5.  
 
 
Рисунок 3.5 – Фото об'єктива ЛОМО ПРО-2  
 
В експериментальній установці використовується цифровий фотоапарат Nikon 
1 J1, показаний на рисунку 3.6. Даний фотоапарат дозволяє проводити запис 
зображень зі швидкістю до 60 кадрів в секунду при максимальному дозволі 
3872×2592 пікселів.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.6 – вигляд фотоапарата Nikon 1 J1 
 
 
 
 
46 
 
3.4. Відкалібрований датчик фотодіода 
 
Для вимірювання потужності оптичного випромінювання в даній роботі 
використовувався фотодіод фірми Newport 818-SL/DB, фотографія якого наведена на 
рисунку 3.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.7 – Відкалібрований датчик фотодіода 818-SL/DB 
 
Дана модель включає в себе адаптер, який містить дані калібрування 
детектора, номер моделі, серійний номер і дату калібрування для безперебійної 
роботи. Це дозволяє підключати фотодетектор до будь-якого блоку вимірювача 
потужності фірми Newport. 
Для вимірювання потужності оптичного випромінювання, вище 5 мВт 
необхідно використовувати атенюатор, який представляє собою світлофільтр з 
відомим коефіцієнтом зменшення потужності. На рисунках 3.8 і 3.9 показано графіки 
спектральною чутливості, наведений в специфікації приладу , для фотодатчика з 
атенюатором і без нього. 
 
 
 
47 
 
 
Рисунок 3.8 – Графік спектральної чутливості фотодіода 818-SL/DB з 
використанням аттенюатора 
 
Рисунок 3.9 – Графік спектральної чутливості фотодіода 818-SL/DB без 
використання аттенюатора 
 
Використовуваний в наших експериментах лазерний модуль має вихідну 
потужність близько 2,3 мВт, так що використання аттенюатора було не обов'язковим. 
Як видно з графіків вище, максимальна чутливість фотодіода досягається при 
довжині хвилі близько 1000 нм. Довжина хвилі лазерного модуля 532 нм потрапляє в 
діапазон чутливості приладу. І так як потужність оптичного випромінювання даного 
 
 
 
48 
 
лазерного модуля кілька мВт, даний фотодіод підходить для експериментів. 
 
 
3.5. Оптичний вимірювач потужності 
 
Відкалібрований датчик фотодіода 818-SL/DB підключається до оптичному 
вимірника потужності 1918-C Newport. Фотографія вимірювача потужності наведена 
на рисунку 3.10. 
 
Рисунок 3.10 – Оптичний вимірювач потужності 1918-C 
 
Для підвищення точності роботи приладу необхідно ввести значення 
вимірюваної довжини хвилі. Вимірювач потужності 1918-C зчитує прийшов з 
фотодіода струм і перераховує його в потужності оптичного випромінювання. 
 
 
3.6. Вимірювач довжини хвилі оптичного випромінювання 
 
Фізичний принцип роботи вимірювача довжини хвилі Angstrom серії WS 
наступний. Оптичний модуль складається з набору інтерферометра Фізо, зчитування 
з яких відбувається за допомогою фотодіодної лінійки . 
Висока точність і стабільність приладу досягається, використовуючи 
ексклюзивні нерухомі оптичні елементи. На рисунку 3.11 наведена принципова схема 
роботи вимірювача довжини хвилі Angstrom WS.  
 
 
 
49 
 
Оптичне випромінювання вводиться прилад за допомогою оптичного волокна, 
приєднаний до роз'єму FC/PC, потім, перед входом в твердотільний інтерферометр 
Фізо, колімується дзеркалом. Інтерференційна картина проектується за допомогою 
циліндричної лінзи на ПЗС лінійку. Результати вимірювання довжини хвилі та 
частоти передаються на комп'ютер за допомогою високошвидкісного з'єднання USB 
2.0, яке дозволяє передавати дані интерферограммы зі швидкістю до 600 Гц. 
Програмне забезпечення обробляє і порівнює патерн з раніше записаними 
калібрувальними даними для обчислення довжини хвилі. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Рисунок 3.11 – Принципова схема роботи вимірювача довжини хвилі 
Angstrom WS 
 
Одне з головних переваг вимірників довжин хвиль на основі інтерферометра 
Фізо, полягає у відсутності механічних рухомих частин. Це забезпечує високу 
точність до 2 МГц (абсолютна) і видатну стабільність вимірювача довжин хвиль . 
Фотографія вимірювача довжини хвилі Angstrom серії WS наведена на 
рисунку 3.12. 
 
 
 
50 
 
 
Рисунок 3.12 – Вимірювач довжини хвилі випромінювання лазерного 
модуля (WS-5) 
 
 
3.7. Вимірювання довжини хвилі випромінювання лазерного модуля 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.13 – Схема вимірювання довжини хвилі оптичного 
випромінювання: 1 – лазерний модуль, 2 – телескоп, 3 – вимірювач довжини 
хвилі (WS-7), 4 – комп'ютер. 
 
На рисунку 3.13 наведена фотографія експерименту по визначенню довжини 
хвилі оптичного випромінювання лазерного модуля. Оптичне випромінювання від 
лазерного модуля (1) проходить через телескопічну систему (2), яка фокусує лазерний 
пучок в оптоволокно. Оптичне випромінювання передається по оптоволокну в 
 
 
 
51 
 
вимірювач довжини хвилі (3) (WS-7). Вимірювач довжини хвилі поставляється з 
програмним забезпеченням, і результати вимірювання оптичного випромінювання 
відображаються на екрані комп'ютера (4). 
Даний експеримент показав, що лазерний модуль має довжини хвиль в межах 
від 532,2 нм до 533,0 нм. В експерименті спостерігалися коливання довжини хвилі на 
0,868 нм, пов'язані з генерацією різних мод. Для проведених експериментів такі 
коливання лазерної частоти не є критичними. 
 
 
3.8. Вимірювання потужності лазерного модуля 
 
На рисунку 3.14 показана схема вимірювання потужності оптичного 
випромінювання. Випромінювання від лазерного модуля 1, проходить через фотодіод 
2. Результати вимірювання потужності оптичного випромінювання відображаються 
на екрані оптичного вимірювача 3. Фотодіод розташований на відстані 150 мм від 
лазерного модуля. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.14 – Схема вимірювання потужності оптичного 
випромінювання: 1 – лазерний модуль, 2 – фотодіод (818-SL/DB), 3 – оптичний 
вимірювач потужності (1918-C) 
 
 
 
 
52 
 
Для коректного проведення вимірювань на блоці оптичного вимірювача 
потужності необхідно виставити значення довжини хвилі падаючого на фотодіод 
випромінювання. Так як довжина хвилі падаючого випромінювання визначена з 
досить великою точністю, можливо провести більш точну калібрування вимірювача 
оптичної потужності. 
Результати вимірювання оптичної потужності лазерного модуля показали 
значення 2,3 мВт. Коливання потужності при цьому склали 0,05 мВт, що складає 2% 
від середньої потужності. Такий розкид показань може бути пов'язаний з тим, що 
лазерний модуль живиться від джерела змінного струму. Для наших експериментів 
таке коливання оптичної потужності лазерного модуля є допустимим. 
 
 
3.9. Вимірювання параметрів оптичного випромінювання після ДОЕ 
 
Схема установки для дослідження характеристики оптико-електронного 
комплексу показана на рисунку 3.15. Випромінювання від лазерного модуля (1), що 
складається з джерела когерентного випромінювання і проходить через ДОЕ (2). 
Після ДОЕ виходить 51 × 51 дифрагованих вузьких пучків, з яких один пучок 
проходить через центр діафрагми і деякі пучки проходять повз діафрагми (3) і 
потрапляє на екран (4). Зображення реєструється з допомогою цифрового 
фотоапарата (5). 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.15 – Схема установки для дослідження характеристики 
оптико- електронної системи: 1 – лазерний модуль, 2 – ДОЕ, 3 – діафрагма, 4 – 
екран,  5– цифровий фотоапарат 
 
 
 
53 
 
 
 
Рисунок 3.16 – Схема експериментальної установки для дослідження 
характеристики оптико-електронної системи: 1 – лазерний модуль, 2 – ДОЕ, 
3 – діафрагма, 4 – екран 
 
На рисунку 3.17. показано реєстрації дифракційних картин на екрані. 
 
 
А Б 
 
Рисунок 3.17 – Реєстрація дифракційних картин на екрані: а – 
зображення центрального пучка, б – зображення одиночного пучка 
 
На рисунку 3.19 показана схема експериментальної установки для 
вимірювання характеристики оптико-електронного комплексу. Випромінювання від 
 
 
 
54 
 
лазерного модуля (1), що складається з джерела когерентного випромінювання 
проходить через ДОЕ (2). Після ДОЕ виходить 51 × 51 дифрагованих вузьких пучків, 
деякі пучки проходять повз діафрагми і один пучок проходить через центр діафрагми 
(3), потрапляє на телескоп (4), проходить волокно (5). Вимірювач довжини хвилі (6) і 
на екрані комп'ютера (7) виходить результат вимірювання довжини хвилі оптичного 
випромінювання. На відстані 80 мм від лазерного модуля до ДОЕ і 250 мм від ДОЕ 
до діафрагми. 
Довжина хвилі центрального пучка 532 нм і його потужність 110 мкВт. 
Довжина хвилі іншого бічного пучка 532 нм і його потужність 2,8 мкВт. Довжина 
хвилі, як і передбачалося, у всіх пучків однакова. Найбільша потужність зосереджена 
в центральному пучку, бічні пучки мають однакову невелику потужність. 
 
 
 
Рисунок 3.18 – Схема експериментальної установки для вимірювання 
потужності оптичного випромінювання: 1 – лазерний модуль, 2 – ДОЕ, 3 – 
діафрагма, 4 – фотодіод, 5 – вимірювач потужності 
 
 
 
55 
 
 
Рисунок 3.19 – Схема експериментальної установки для вимірювання 
довжини оптичного випромінювання:1 – лазерний модуль, 2 – ДОЕ, 3 – 
діафрагма, 3 – телескоп, 5 – волокно, 6 – вимірювач довжини хвилі (WS-5), 6 – 
комп'ютер 
 
 
 
Висновки за розділом 3 
 
Досліджено  метод і створена експериментальна установка, що містить 
джерело оптичного випромінювання, дифракційний оптичний елемент для 
отримання структурованого випромінювання, екран, цифровий фотоапарат. 
Розроблена експериментальна установка для створення оптико- електронного 
комплексу дослідження розуміється метод, в основі якого лежить фотоелектронні 
перетворення з наступним вимірюванням параметрів електричного сигналу, що несе 
інформацію про оптичні характеристики досліджуваного об'єкта. 
Показана схема експериментальної установки для вимірювання 
характеристики оптико-електронної системи. 
Отримані результати вимірювань довжини хвилі і потужності оптичного 
випромінювання без ДОЕ. Отримані результати вимірювань довжини хвилі 
 
 
 
56 
 
центрального пучка і його потужність оптичного випромінювання після ДОЕ. 
Отримані результати вимірювань довжини хвилі іншого пучка і його потужність 
оптичного випромінювання після ДОЕ. 
 
  
 
 
 
57 
 
РОЗДІЛ 4 
ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ 
ПАРАМЕТРІВ ДИФУЗНО РОЗСІЮЮЧИХ ФІГУР 
 
 
4.1 Візуалізація геометричних параметрів дифузно розсіюючих плоских 
фігур за допомогою ТСВ 
 
Оптико-електронний комплекс кількісної візуалізації параметрів плоских 
фігур за допомогою точково структурованого оптичного випромінювання (ТСВ), 
одержуваного від джерел когерентного випромінювання з допомогою різних 
дифракційних оптичних елементів (ДОЕ). В експерименті використовується ТСВ у 
вигляді впорядкованої сітки точкових джерел випромінювання із заданими 
відстанями між ними. 
Досліджувані плоскі фігури закріплюються на екрані висвітлюються ТСВ. 
Одержуване зображення фотографується цифровим фотоапаратом і далі 
відтворюється на екрані комп'ютера і обробляються. 
Приведено докладний опис елементів вимірювального комплексу, який 
складається з джерела безперервного когерентного випромінювання з довжиною 
хвилі 532 нм, ДОЕ, що дозволяє отримати з допомогою об'єктива з великою 
апертурою ТСВ у вигляді квадратної матриці тонких пучків випромінювання з 
відомими відстанями між ними 2,25 мм на відстані 750 мм до екрану. 
Також наведено детальний опис методики візуалізації та обробки плоских 
картин візуалізації. Даний метод отримання фотографічного зображення плоскої 
фігури відрізняється від стандартного фотографування тим, що разом з отриманням 
зображення фігури реєструється інформація про параметри точкових джерел 
випромінювання у складі ТСВ, яка в подальшому використовується для визначення 
геометричних параметрів досліджуваної фігури. Наведені приклади визначення 
геометричних параметрів різних плоских фігур: прямокутника, трикутника, квадрата 
та ін. при їх різних положеннях на екрані. 
 
 
 
58 
 
Даний метод безконтактного визначення параметрів плоских фігур може 
знайти широке застосування в різних областях сучасної техніки. 
Наприклад, при створенні автоматизованої системи безконтактної 
класифікації рухомих фігур за заданими параметрами. 
В даній роботі для візуалізації геометричних параметрів дифузно розсіюючих 
плоских фігур пропонується використовувати ТСВ, одержуване з допомогою ДОЕ, 
випуск яких промисловістю вже досить освоєний. 
Структуроване оптичне випромінювання в даний час широко 
використовується в методі дослідження оптично неоднорідних рідких середовищ, 
званому лазерної рефрактографії . 
Розроблений вимірювальний оптико-електронний комплекс для візуалізації 
геометричних параметрів дифузно розсіюючих плоских фігур за допомогою 
структурованого оптичного випромінювання малюнок 4.1. Комплекс складається з 
когерентного джерела оптичного випромінювання (1), ДОЕ (2), об'єктива (3), 
цифрової фотокамери (4), на екрані (5) і комп'ютерної програми обробки оптичних 
зображень. Комплекс призначений для визначення параметрів дифузно 
розсіюючих плоских фігур: місцезнаходження, форми і структури. 
 
 
4.2 Експериментальна установка для візуалізації плоских фігур і 
визначення їх параметрів 
 
Схема установки оптико-електронного комплексу для візуалізації параметрів 
плоскої фігури показана на рисунку 4.1. Випромінювання від оптичного модуля 
(1), що складається з джерела когерентного випромінювання (1) і ДОЕ (2), проходить 
через об'єктив (3) та освітлює екран (4) із закріпленою на ньому плоскою фігурою (5). 
Зображення реєструється за допомогою цифрового фотоапарата (6). 
 
 
 
 
 
 
59 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 4.1 – Схема установки оптико-електронного комплексу: 
1 – джерело оптичного випромінювання, 2 – дифракційний оптичний 
елемент, 3 – об'єктив, 4 – екран, 5 – плоска фігура, 6 – цифровий фотоапарат 
 
 
 
Рисунок 4.2 – Фотографія установки оптико-електронного комплексу: 
1 – лазерний джерело оптичного випромінювання, 2 – дифракційний 
оптичний елемент 3 – об'єктив, 4 – екран, 5 – плоска фігура, 6 – цифровий 
фотоапарат 
 
На екрані (4) розміщуються плоскі фігури, параметри яких необхідно 
визначити. На рисунках 4.3–4.6 показано зображення різних пласких фігур: квадрата,  
трикутника, еліпса, квадрата, шестикутника і зірки при різних кутах їх повороту. 
Центр досліджуваних фігур збігається з центром екрана, x, y – відстань від краю 
 
 
 
60 
 
екрану до фігури, a,b,c,d – параметри, що характеризують розміри фігур і їх 
положення на екрані. Геометричні відстані визначаються за формулою: X = x∙N, де 
масштабний параметр N = 2,25 мм. В таблицях 4.1 – 4.6 наведено виміряні 
геометричні параметри використаних фігур при різних їх положеннях. 
 
 
Рисунок 4.3 – Зображення квадратної фігури при різних кутах повороту: А – 
вертикальне розташування квадрата, Б – повернене на 45 градусів 
розташування квадрата, В – повернене на 60 градусів розташування квадрата 
 
Таблиця 4.1. Зображення квадратної фігури при різних кутах повороту 
 
 
 
 
61 
 
 
Рисунок 4.4 – Зображення трикутної фігури при різних кутах повороту: а 
– вертикальне розташування трикутника, б – повернене на 45 градусів 
розташування трикутника, в – повернене на 60 градусів розташування 
трикутника 
 
 
Таблиця 4.2. Параметри трикутника при різних кутах повороту  
  
 
 
 
 
62 
 
 
Рисунок 4.5 – Зображення еліптичної фігури при різних кутах повороту:  
А – вертикальне розташування еліпса, Б – повернене на 45 градусів 
розташування еліпса, В – повернене на 60 градусів розташування еліпса 
 
 
 
Таблиця 4.3 – Параметри еліптичної фігури при різних кутах повороту 
 
 
 
 
 
 
63 
 
 
Рисунок 4.6 – Зображення прямокутної фігури при різних її поворотах: А 
– вертикальне розташування прямокутника, Б – повернене на 45 градусів 
розташування прямокутника, В –повернене на 60 градусів розташування 
прямокутника 
 
 
Таблиця 4.4 – Виміряні параметри прямокутної фігури при різних кутах 
повороту 
 
 
 
 
 
64 
 
 
 
Рисунок 4.7 – Зображення шестикутної фігури при різних її поворотах (а) 
вертикальне розташування шестикутника, (б) повернене на 35градусів 
розташування шестикутника, (в) повернене на 55 градусів розташування 
шестикутника 
 
 
Таблиця 4.5 – Виміряні параметри шестикутної фігури при різних кути 
повороту 
 
 
 
 
 
65 
 
 
 
Рисунок 4.8 – Зображення зоряної фігури при різних її поворотах: 
А – вертикалное розташування зірки, Б – повернене на 35 градусів 
розташування зірки, – повернене на 45 градусів розташування зірки 
 
Таблиця 4.6 – Виміряні параметри зоряної фігури при різних кутах повороту 
 
 
На рисунку 4.9 наведено зображення шестикутної фігури при різному 
положенні на екрані. У таблиці 4.7 наведено виміряні координати центрів 
шестикутних фігур для різних місць їх розташування на екрані. 
 
 
 
 
66 
 
 
 
Рисунок 4.9 – Зображення шестикутних фігур при різному положенні на 
екрані 
 
Таблиця 4.7 – Виміряні координати центрів шестикутних фігур при різному 
положенні на екрані 
Шестикутн а b с с/ е  
ик N° 
 X V X у X у X у X у  у 
А 17.0 12.0 18.1 12.1 11.5 24.0 18.0 13.2 17.1 12.4 10.2 24.5 
Б 19.2 11.5 17.0 13.0 11.2 23.1 20.4 12.1 16.0 13.0 10.4 23,2 
В 20.3 10.1 16.2 13.4 12.0 21.5 21.0 12.0 15.5 14.1 11.0 22.0 
Г 21.0 10.5 15.4 15,2 12.3 20.0 21.1 11.5 15.0 15.5 11.5 21.5 
 
 
 
4.3 Вимірювання зміщення непрозорого прямокутного екрану 
 
Для безконтактного вимірювання зміщення непрозорого екрана була зібрана 
експериментальна установка, показана на рисунку 4.10 . 
Випромінювання від лазерного модуля (1), що складається з 
 
 
 
67 
 
напівпровідникового лазера і дифракційного елемента, проходить через об'єктив (2), 
спрямовується на непрозорий екран (3), встановлений на юстировочному столику (4), 
візуалізується на екрані (5) і реєструється за допомогою цифрового фотоапарата (6). 
 
Рисунок 4.10 – Принципова схема оптичного комплексу: 1– лазерний 
модуль з ДОЕ, 2 – об'єктив, 3 – непрозорий екран, 4 – юстировочний 
столик, 5 – екран, 6 – цифровий фотоапарат 
 
Рисунок 4.11 – Експериментальна схема лазерної установки: 1– лазерний 
модуль з ДОЕ, 2 – об'єктив, 3 – непрозорий екран, 4 – юстировочний столик, 3 – 
екран, 6 – цифровий фотоапарат 
 
В установці використовується напівпровідниковий лазер з потужністю 2,3 
мВт. Довжина хвилі випромінювання дорівнює 532 нм. Дифракційна система 2 
містить 6 різних дифракційних оптичних елементів. Об'єктив 3 має фокусну відстань 
 
 
 
68 
 
750 мм. Юстировочний столик дозволяє переміщати в перпендикулярному напрямку 
пластину 4 на відстань 50 мм з кроком 0,1 мм На рисунку 4.12. показано дифракційні 
картини для різних відстанях від краю до непрозорого екрана. l - параметр 
юстировочного столика. 
 
 
Рисунок 4.12 – Дифракційні картини для різних відстаней від краю СОВ 
до непрозорого екрану 
 
Результати обробки вимірювання відстані від краю до СОВ непрозорого 
екрану 
 
Середнє значення:  
 
n
Si
 S i1
серед  ,  
n
 
 
 
69 
 
де Sj – відстань від краю до непрозрачного екрану; 
Sсеред – середнє  значення відстані від краю до непрозрачного екрану Sj . 
Розрахунок похибки вимірювання відстані між круговими пучками: t – 
коефіцієнт Ст’юдетна, n – число замірів,  - випадкова похибка. 
n
 2
Sсеред  Si 
 S  t  i1 ,  
n(n 1)
 S  Sсеред  S ,  
 S 14,68 0,35. 
 
 
 
Рисунок 4.13 – Порівняння результатів вимірювань відстані між 
круговими пучками 
 
 
4.4. Візуалізація тривимірних об'єктів за допомогою СОВ 
 
Випромінювання лазера (1) проходить через об'єктив (2) і потрапляє на 
досліджуваний об'єкт (4). Зображення інтерференційної картини на досліджуваному 
 
 
 
70 
 
об'єкті реєструється за допомогою цифрового фотоапарата (3). 
 
 
 
 
 
Рисунок 4.14 – Експериментальна схема оптичного комплексу: 1– 
лазерний модуль з ДОЕ, 2 – об'єктив, 3 – цифровий фотоапарат, 4 – 
досліджуваний об'єкт 
 
На рисунках 4.15 – 4.19 наведено результати візуалізації трьохвимірних 
об'єктів, отримані з допомогою звичайного фотографування при освітленні 
некогерентним випромінюванням  і при структурованим оптичним 
випромінюванням. 
 
 
 
 
 
71 
 
 
 
Рисунок 4.15 – Візуалізація циліндричних поверхонь: а – освітлення 
некогерентним випромінюванням, б – освітлення лінійчатим оптичним 
випромінюванням, в – освітлення точковим оптичним випромінюванням 
 
Рисунок 4.16 – Візуалізація сферичними поверхнями: а - освітлення 
некогерентним випромінюванням, б – освітлення лінійчатим лазерним 
випромінюванням, в – освітлення точковим лазерним випромінюванням 
 
 
 
72 
 
 
 
Рисунок 4.17 – Візуалізація сферичними поверхнями: а – освітлення 
некогерентним випромінюванням, б – освітлення лазерним випромінюванням, 
в – освітлення точковим лазерним випромінюванням 
 
Рисунок 4.18 – Візуалізація сферичними поверхнями: а – освітлення 
некогерентним випромінюванням, б – освітлення лінійчатим лазерним 
випромінюванням, в – освітлення точковим лазерним випромінюванням 
 
 
 
73 
 
 
Рисунок 4.19 – Візуалізація тривимірних об'єктів з плоскими 
поверхнями: 
 а – освітлення некогерентним випромінюванням, б – освітлення 
точковим лазерним випромінюванням, в – освітлення лінійчатим лазерним 
випромінюванням 
 
 
4.5. Візуалізація об'ємних фігур з допомогою точково структурованого 
оптичного випромінювання 
 
Схема установки для кількісної візуалізації об'ємних фігур показана на 
рисунку 4.20 . Випромінювання від джерела оптичного когерентного 
випромінювання (1) проходить ДОЕ (2), далі через об'єктив (3), в результаті виходить 
структурований пучок (4), який направляється на об'єкт (5). Зображення об'єкта на 
екрані (6) реєструється за допомогою цифрового фотоапарата (7). Основна перевага 
даного методу можливість вимірювання геометричних параметрів: 
– важко доступних об'єктів, 
– в складних умовах, наприклад, у небезпечних хімічних умовах. 
 
 
 
 
74 
 
 
Рисунок 4.20 (а) – Схема експериментальної установки: 1 – джерело 
оптичного випромінювання, 2 – дифракційний оптичний елемент, 3 – об'єктив, 
4 – точково структурованого оптичного випромінювання (ТСВ), 5 – об'єкт, 6 – 
екран, 7 – цифровий фотоапарат, 8 – центр ТСВ, l – відстань від нижнього краї 
ТСВ на екрані до передньої поверхні досліджуваного об'єкта, α – кут нахилу 
структурованого пучка, (б) –приклад картини вихідного структурованого 
пучка 
 
 
Рисунок 4.21 – Візуалізація квадратних і циліндричних об'ємних об'єктів при 
різних відстанях від краю структурованого пучка до  передньої поверхні 
досліджуваного об'єкта 
 
 
На рисунку 4.21 наведено результати візуалізації квадратних і циліндричних 
 
 
 
75 
 
об'ємних об'єктів за допомогою ТСВ при різних відстанях від об'єктива до об'єкта. 
Тут l 1, l 2, l 3 – різні відстані від краю структурованого пучка до передньої поверхні 
досліджуваного об'єкта, висота циліндра 35,2 мм, радіус циліндра 25,5 мм і площа 
куба 7123,4 мм 2. 
На рисунку 4.22 наведено результати візуалізації трикутної призми з плоскими 
поверхнями за допомогою ТСВ при різних відстанях від краю структурованого пучка 
2
до передньої грані досліджуваного об'єкта, площа підстави складає 6960,9 мм . 
 
 
Рисунок 4.22 – Візуалізація трикутної призми при різних відстанях від 
краю структурованого пучка до передньої грані досліджуваного об'єкта 
 
На рисунку 4.23 наведено результати візуалізації паралелепіпеда з допомогою 
ТСВ при різних відстанях від краю структурованого пучка до передньої поверхні 
досліджуваного об'єкта. Площа підстави складає 7123,4 мм 2. 
На рисунку 4.24 наведено результати візуалізації циліндра з допомогою ТСВ 
при різних відстанях від краю структурованого пучка до найближчої точки 
досліджуваного об'єкта, висота циліндра 106,7 мм та радіус циліндра 45,5 мм. 
 
 
 
 
 
76 
 
Рисунок 4.23 – Візуалізація паралелепіпеда при різних відстанях від краї 
структурованого пучка до передньої поверхні досліджуваного об'єкта 
 
 
Рисунок 4.24 – Візуалізація циліндра при різних відстанях від краю 
структурованого пучка до найближчої точки досліджуваного об'єкта 
 
На рисунку 4.25 наведено результати візуалізації напівциліндра допомогою 
ТСВ при різних відстанях від краю структурованого пучка до передньої поверхні 
досліджуваного об'єкта. Висота напівциліндра 98,1 мм та радіус напівциліндра 55,2 
мм. 
 
 
 
77 
 
 
 
 
Рисунок 4.25 – Візуалізація тривимірних об'єктів з циліндричними і 
плоскими поверхнями при різних відстанях від краю структурованого 
пучка до передньої поверхні досліджуваного об'єкта 
 
Результати проведених в ході експериментів вимірювань наведені в таблицях 
(4.8) і (4.9) Результати отримані на метрологічними методами шляхом підрахунку 
кількості цілих і дробових значень параметра. 
 
Таблиця 4.8 – Результати вимірювань досліджуваних тривимірних об'єктів з 
допомогою штангенциркуля 
Висота Довжина Радіус Площа 
Об'єкт 
(мм) (мм) (мм) підстави (мм2) 
Куб 84,4 84,4  7123,4 
Трикутна призма 99,3 140,2  6960,9 
Циліндр 106,7  45,5 6500,6 
Полуциліндр 98,1  55,2 9567,7 
 
 
 
 
 
 
78 
 
Таблиця 4.9 – Результати вимірювань досліджуваних тривимірних об'єктів 
оптичним методом (l1) 
Висота Довжина Радіус Площа 
Об'єкт 
(мм) (мм) (мм) підстави (мм2) 
Куб 84,4 84,4  7123,4 
Трикутна призма 99,3 140,2  6960,9 
Циліндр 106,7  45,5 6500,6 
Полуцилиндр 98,1  55,2 9567,7 
 
 
4.6. Візуалізація дифузно розсіюючих плоских фігур за допомогою 
точково структурованого оптичного випромінювання 
 
Схема установки для візуалізації параметрів плоских фігур показана на 
рисунку 4.26 . Випромінювання від оптичного модуля, що складається з джерела 
когерентного випромінювання (1) і ДОЕ (2), проходить через об'єктив (3) і висвітлює 
рухливий екран (4) з закріпленої на ньому плоскою фігурою (5). 
Зображення реєструється за допомогою цифрового фотоапарата (6) і 
відображається на екрані персонального комп'ютера (7). 
 
 
 
79 
 
 
Рисунок 4.26 – Схема експериментальної установки: 1 – джерело 
оптичного випромінювання; 2 – дифракційний оптичний елемент, 3 – об'єктив, 
4 – екран, 5 – плоска фігура, 6 – цифровий фотоапарат, 7 – персональний 
комп'ютер 
 
Джерело оптичного випромінювання створює вузький поляризований пучок, 
який направляється на ДОЕ . При юстировкі ДОЕ обертається навколо оптичної осі 
для отримання максимальної різкості зображення плоскої фігури. Після ДОЕ 
виходить сімейства дифрагованих вузьких пучків, які направляються на 
коліміруючий об'єктив, створює матрицю паралельних пучків, що 
розповсюджуються вздовж оптичної осі. На екрані формується зображення плоскої 
фігури, яка реєструється за допомогою цифрового фотоапарата. 
Вимірювані фігури закріплюються на вертикально розташованому екрані, 
шляхом їх механічного приклеювання. На рисунках 4.27 - 4.29 показані зображення 
трьох різних досліджуваних плоских фігур при різних кутах їх повороту: трикутника, 
паралелограми і п'ятикутника. Центр досліджуваних фігур збігається з центром 
 
 
 
80 
 
екрана. Кут нахилу фігури 52°. 
 
 
Рисунок 4.27 – Зображення трикутної фігури: а – вихідне, б – повернене 
 
 
Рисунок 4.28 – Зображення фігури паралелограма: а – вихідне, 
б – повернене 
 
 
 
 
81 
 
Рисунок 4.29 – Зображення фігури п'ятикутника: а – вихідне, 
б – повернене 
 
 
4.7. Алгоритм цифрової обробки дифракційних картин 
 
Основною метою розробки алгоритму є можливість визначити з його 
допомогою геометричні параметри досліджуваних фігур. Особливістю алгоритму є 
використання ТСВ для визначення масштабних коефіцієнтів. Такий підхід дозволяє 
проводити безконтактні вимірювання геометричних параметрів плоских фігур без 
попереднього проведення процедури калібрування цифрової відеокамери. 
Точкове структуроване випромінювання утворює на зображеннях періодичну 
структуру, що складається з еквідистантно розташованих плям (точок). Відстані між 
плямами дозволяє оцінити вертикальний і горизонтальний масштабні коефіцієнти.  
Також при необхідності можна провести калібрування відеокамери  за 
 
 
 
82 
 
відомими розташуванням точок ТСВ, в тому числі для компенсації оптичних аберацій 
і зменшення похибки вимірювань. 
 
Рисунок 4.30 – Алгоритм цифрової обробки зображень для визначення 
геометричних параметрів фігур 
 
Пропонований алгоритм визначення геометричних параметрів плоских фігур 
представлений на рисунку 4.30. Алгоритм складається з двох частин: обробка плям 
або точок ТСВ на зображенні і обробка дифракційних картин без точок ТСВ. 
Інформація, отримана в першій частині, використовується у другій для визначення 
розміру маски і рангової фільтрації, в підсумковому розрахунку параметрів фігур у 
вигляді масштабних коефіцієнтів зображення. 
Розглянемо етапи даного алгоритму. Після завантаження зображення з нього 
видаляється центральний максимум, який є паразитним елементом і заважає 
 
 
 
83 
 
подальшій обробці. Видалення відбувається за ознакою найбільш яскравою і великий 
по площі фігури на зображенні. Далі для виділення залишилися плям ТСВ 
використовується бінаризація зображення (порогова фільтрація). Для проведення 
бінаризації автоматично визначається оптимальний рівень порогу за методом Оцу . 
Для виділення точок використовується морфологічне виділення замкнутих 
окремо розташованих фігур . Оцінка параметрів виділених фігур дозволяє визначити 
середній розмір точок. Цей розмір в подальшому використовується в рангової 
фільтрації. По розташуванню виділених фігур також розраховуються масштабні 
коефіцієнти зображення, які потім враховують при розрахунку геометричних 
параметрів фігур. На цьому використання точок ТСВ на зображенні закінчується. 
У наступній частині алгоритму точки стають небажаними фігурами, які 
необхідно видалити. Для цього застосовується рангова фільтрація. Розмір фільтра 
вибирається виходячи з середнього розміру точок, отриманого у попередніх діях. Для 
наведеного далі прикладу розмір маски склав 15×15 пікселів при розмірі точок 
близько 10-12 пікселів, для фільтрації обирали 20-ї по порядку елемент. Рангова 
фільтрація дозволяє якісно видалити з точки зображення, залишивши тільки 
досліджувану фігуру і фон. 
Далі розраховується декількох рівнів яскравості за методом Оцу для виділення 
досліджуваної фігури. Більше одного рівня потрібно з-за нерівномірного освітлення 
заднього фону зображення. Виділення області, лежить у центрі зображення і 
бінаризація її за рівнями яскравості дозволяє надійно відокремити шукану фігуру від 
фону. 
На наступному кроці алгоритму морфологічні операції закриття і виділення 
меж використовуються для точного виділення фігури, так і її меж. Виділена кордон 
піддається перетворення Хафа для пошуку прямих , що описують периметр фігури. 
Для визначення кількості локальних максимумів в перетворенні використовується 
апріорна інформація про досліджувану фігурі (кількість сторін багатокутника). 
 
 
 
84 
 
 
Рисунок 4.31 – Результати обробки зображення трикутної фігури 
розробленим алгоритмом: а – вихідне; площа 17755 мм2, периметр 
1896,3 мм, орієнтація -62,0°, б – повернене; площа 17306 мм2, периметр 
1841,2 мм, орієнтація -86,5° 
 
На кінцевому етапі алгоритму відбувається розрахунок геометричних 
параметрів плоскої фігури: площі, периметра, положення центру, орієнтація (по 
головній осі описує об'єкт еліпса) та ін. При розрахунку використовуються масштабні 
коефіцієнти зображення, отримані на попередніх кроках при обробці зображення. 
Приклад результату обробки дифракційної картини з плоским гратки з допомогою 
розробленого алгоритму наведено на рисунках 4.32 – 4.34. 
 
 
 
85 
 
Рисунок 4.32 – Результати обробки зображення паралелограмної 
фігури: а – вихідне; площа 19237 мм2, периметр 2063,4 мм, орієнтація -12,6°, б – 
повернене; площа 19289 мм2, периметр 2050,5 мм, орієнтація -34,2° 
 
 
Рисунок 4.33 – Результати обробки зображення п'ятикутної фігури: 
а – вихідне; площа 17492 мм2, периметр 1876,7 мм, орієнтація -88,1°, 
б – повернене; площа 17743 мм2, периметр 1875,3 мм, орієнтація 70,5° 
 
 
 
 
 
 
86 
 
Висновки до розділу 4 
 
Розроблена експериментальна установка, що містить джерело оптичного 
випромінювання, дифракційний оптичний елемент для отримання структурованого 
оптичного випромінювання, екран і цифровий фотоапарат. Наведено результати 
експериментів по вимірюванню параметрів ряду плоских і об'ємних фігур за 
допомогою точково структурованого оптичного випромінювання, одержуваного з 
допомогою дифракційних оптичних елементів. 
Даний метод безконтактного визначення параметрів плоских і об'ємних фігур 
може знайти широке застосування в різних областях сучасної техніки. Наприклад, 
при створенні автоматизованої системи безконтактної класифікації плоских об'єктів 
за заданими параметрами. 
Переваги запропонованого методу визначення геометричних параметрів 
плоских фігур полягає в його безконтактності можливості одночасної комп'ютерної 
обробки результатів вимірювань. 
 
  
 
 
 
87 
 
ВИСНОВКИ 
 
 
1. Проведено аналіз характеристик сучасних лазерів, найбільш широко 
використовуваних вимірювальних технологіях. Показані приклади використання 
лазерів для візуалізації дифузно розсіюючих предметів. Проведено аналіз приймачів 
оптичного випромінювання, використовуються при створення вимірювальної 
оптичної системи. Проаналізовано прилади для реєстрації відбитого оптичного 
випромінювання при зондуванні дифузно розсіюючих предметів. 
2. Проведено аналіз лазерних методів для безконтактного виміру профілю 
поверхні великогабаритних об'єктів складної форми. Розглянуто методи проекції 
інтерференційних смуг як одна з найбільш доступних технік вимірювання координат 
тривимірних об'єктів. 
3. Наведено результати вимірювань параметрів об'єкта, заснованих на 
використанні СОВ, одержуваного з допомогою дифракційних оптичних елементів, 
зондувальних досліджуваний об'єкт і реєстрації частині пучка, що пройшов повз 
об'єкта. 
4. Отримані зображення визначають відстань між одними і тими ж 
елементами на поверхні візуалізуючого об'єкта, далі з допомогою розрахункових 
формул знаходиться кут повороту плоскій поверхні. Досліджено алгоритм обробки 
отриманих картин візуалізації, що дозволяє вимірювати кут нахилу плоскій поверхні 
досліджуваного об'єкта. 
5. Наведена схема експериментальної установки для вимірювання 
характеристик оптико-електронного комплексу. Отримані результати вимірювання 
довжини хвилі та потужності оптичного випромінювання. Розроблено метод і 
створена експериментальна установка оптико- електронного комплексу для 
кількісної візуалізації геометричних параметрів дифузно розсіюючих пласких і 
об'ємних фігур з використанням ТСВ, одержуваного від джерел когерентного 
випромінювання з допомогою ДОЕ. Наведено результати експериментів по 
вимірюванню параметрів ряду плоских і об'ємних фігур за допомогою ТСВ, 
 
 
 
88 
 
одержуваного з допомогою ДОЕ. 
6. Розроблений і реалізований алгоритм обробки експериментально 
одержаних дифракційних картин для визначення геометричних параметрів різних 
плоских фігур.