Установка в общий корпус

На рис. 2.16 представлена измерительная ветвь оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм в разрезе.

Сборка измерительной ветви (рис.2.17) осуществляется следующим образом: оправа объектива 2 вкручивается во фланец с анализатором 1. Затем оправа ФПЗС-матрицы 3 через промежуточную пластину 4 крепится винтами к оправе объектива. Пластина нужна для регулировки положения плоскости ФПЗС. Подбором толщины определяется наиболее выгодное положение и, соответственно, лучшее изображение.

В корпус (рис. 2.18) устанавливается крышка с магнитооптическим кристаллом и постоянным магнитом 3 винтами 5. Осветительная ветвь 1 устанавливается в корпус и прикручивается винтами 6. Измерительная ветвь 2 крепится в корпус винтами 4.

3. Оптическая часть 3.1 Выбор и обоснование оптической схемы На основе вышеприведенного анализа, предложена оптическая схема устройства визуализации магнитограмм, которая должна содержать источник излучения, который должен осветить исследуемую область, коллиматор, собирающий лучи от источника света и направляющий их на исследуемый объект, рассеиватель, поляризатор для создания линейно поляризованного света, магнитооптическую головку, анализатор – для преобразования модуляции по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, оптический элемент для фокусировки изображения в плоскости ФПЗС-матрицы.

Рис. 3.1. Оптическая схема устройства визуализации магнитограмм Магнитооптическая головка, как следует из проведенного выше анализа, должна содержать некую промежуточную среду, с которой дальше идет процесс считывания информации на основе эффекта Фарадея. Этой средой являются магнитные пленки феррит-гранатов, обладающих большим фарадеевским вращением. Способ магнитооптического считывания с помощью промежуточной среды целесообразно применять в том случае, когда оптические характеристики носителя информации не позволяют проводить считывание непосредственно с самого носителя (например, когда считывание информации с помощью эффекта Керра не обеспечивает требуемого отношения сигнал/шум). Принцип работы устройства. Излучение от светодиода 1, проходит через коллиматорную линзу 2, рассеиватель 3, поляризатор 4 и становится линейно поляризованным. Линейно поляризованное излучение направляется на носитель записи 6 со скрытой магнитной информацией. Важным элементом при визуализации информации является магнитная пленка феррит-граната 5, которая вращает плоскость поляризации выходного излучения на основе магнитооптического эффекта Фарадея. Магнитные поля рассеяния, создаваемые доменной структурой носителя информации 6, перестраивают доменную структуру пленки феррит-граната 5 с одноосной магнитной анизотропией. Поэтому линейно поляризованный свет, проходя через магнитную пленку феррит-граната, поворачивает свою плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен пленки 5 проходит излучение, на угол:

, где

- удельное фарадеевское вращение;

- длина пути в магнитной пленке феррит-граната, α – угол между направлением распространения излучения и вектором намагниченности М. После отражения от зеркальнозащитного слоя магнитной пленки феррит-граната, необходимого для увеличения коэффициента отражения и предохраняющий от химического взаимодействия поверхностей носителя и пленки, излучение снова проходит через пленку, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение излучения через магнитную пленку феррит-граната удваивает угол поворота плоскости поляризации излучения, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженное излучение проходит через анализатор 7, преобразующий модуляцию излучения по плоскости поляризации в модуляцию излучения по интенсивности. Изображение с магнитной пленки феррит-граната объективом 8 проецируется на ФПЗС 9 и далее информация передается для обработки в компьютер, в котором по соответствующему алгоритму производится сравнение изображений или информации с эталоном. Расстояния, приведенные на оптической схеме: между светодиодом 1 и коллиматором 2, между конденсором и рассеивателем 3, между рассеивателем и поляризатором 3, между поляризатором, плоскостью предмета и анализатором 6 выбираются из конструктивных соображений так, чтобы обеспечить минимальные габариты и удобство сборки и обслуживания устройства. Угол падения излучения на магнитную пленку феррит-граната примем равным 45°. Сформулируем основные требования и осуществим выбор элементной базы устройства регистрации магнитных полей рассеяния. Источник излучения. Высококачественные пленки феррит-гранатов используются в видимом и ближнем инфракрасном спектре. Требований к монохроматичности излучения в данном случае нет. В связи с этим в качестве источника излучения выбран светодиод КИПД 21 К-Ж. При освещении светодиодом необходимо ставить коллиматорную линзу для обеспечения параллельного пучка определенного диаметра. Для исключения эффекта засветки применяется рассеиватель (матовое стекло).

Рис.3.2. Светодиод КИПД 21 К-Ж Светодиод имеет характеристики, представленные в таблице 1. Таблица 3.1. Характеристики светодиода КИПД 21 К-Ж

Параметр	Значение
Длина волны	590 нм
Сила света	500 мКд
Прямой ток	20 мА
Прямое напряжение	2,4 В
Угол половинной яркости	20^о

Приемник излучения. Разрешающая способность, согласно техническому заданию, должна составлять не менее 100 линий на миллиметр, т.к. большинство носителей магнитной информации имеют минимальные размеры элементов от 10 до 30 мкм. Минимальный элемент в данном случае 10 мкм. Разрешающая способность ФПЗС-матрицы определяется размером пикселя. Изображение, полученное проекционным объективом, на ФПЗС-матрице, передается для обработки в компьютер. В качестве ФПЗС-матрицы выбираем ICX285AQ (SONY) с параметрами, представленными в таблице 3.2. Таблица 3.2. Параметры матрицы ICX285AQ

Параметр	Значение
Число активных пикселей	1360х1024
Размер пикселя	6,45х6,45 мкм
Рабочий размер матрицы	10,2х8,3 мм
Пороговая чувствительность	0,01 лк

Поляризационная оптика. Конструктивно поляризатор и анализатор – одно и то же. Поляризаторы основаны на явлениях: а) на отражении и преломлении на границе двух диэлетриков; б) двойном лучепреломлени; в) на дихроизме. Поляризация с помощью дихроизма в некотором участке спектра достигает 100%. Учитывая длину волны излучения светодиода (λ=590нм), подберем подходящий поляризатор. Существуют герапатитовые и поливиниловые поляроиды. На указанной длине волны герапатитовый поляроид обеспечивает 99% поляризацию. Поливиниловый поляроид обеспечивает 100% поляризации. Таким образом, в нашем случае поляроид представляет собой поляризующую свет пленку, изготовленную из поливинилового спирта марки H и заклеенную между защитными стеклянными плоскопараллельными пластинами, марка стекла – К8, толщиной 3мм и диаметром 10 мм [14].

Коллиматорная линза. Коллиматором принято называть оптическую систему, концентрирующую часть светового потока источника света в узкий пучок как для освещения удаленных предметов, так и для передачи сигналов на большие расстояния [19].

Оптическими характеристиками коллиматора являются: сила света; коэффициент усиления; дистанция оформления пучка; угол охвата и угол рассеяния.

Из приведенных характеристик светодиода КИПД 21 К Ж известно, что угол половинной яркости составляет . Следовательно, примем угол охвата . Зная величину поля зрения (10мм х10 мм), определим диаметр пучка из геометрии

Рис.3.3. К расчету диаметра пучка

Исходя из этого, световой диаметр линзы должен быть не меньше, чем D=7,07. Примем D=8мм.

Найдем фокусное коллиматорной линзы, зная световой диаметр и апертурный угол:

Примем в качестве коллиматора плосковыпуклую линзу. Фокусное расстояние линзы равно 22мм. Толщину примем 5 мм.

Рис.3.4. Плосковыпуклая линза.

Т.к. линза будет находиться в воздухе (n₁=n₃=n), является плосковыпуклой (r₁=∞, r₂<0), и принимая предварительно материал для линзы стекло К8 (для длины волны l = 590нм n₂=1,51627), найдем параметры линзы:

Тогда имеем коллиматорную линзу со следующими параметрами:

Радиус	Толщина,	Марка материала
∞ -11,358		К8

Проекционный объектив. Требуется объектив, обеспечивающий высокий контраст. Исходя из этого, выберем из набора двухлинзовых компонентов, обеспечивающих в спектральном диапазоне от 0,55 до 0,9 мкм высокие значения коэффициентов передачи контраста при относительных отверстиях вплоть до 1:3—1:2,5 [20].

Выбранный объектив имеет следующие конструктивные параметры:


r₁=18,05		n ₁=1
r₂=-10,1	d ₁=5	n ₂=1,5223
r₃=-27,47	d ₂=2	n ₃=1,6744
		n ₄=1

Смоделируем полученный объектив в пакете программ оптического моделирования «Zemax» и оценим возможность правильной работы в заданных условиях.

Рис.3.5. Схема выбранного объектива

Построим графики аберраций смоделированного объектива и проведем оценку его работоспособности:

а)

б)

Рис.3.6. а) – поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) – волновые аберрации

Оценим разрешающую способность данного объектива в плоскости ФПЗС-матрицы:

Рис.3.7. Модуляционная передаточная функция

Как видим, данная система обладает незначительные аберрациями, однако разрешающая способность ниже требуемой (контраст 0,27 на 100 линий/мм). С целью повышения данного параметра проведем оптимизацию объектива.

После оптимизации объектив будет иметь следующие конструктивные параметры:

Рис.3.8. Конструктивные параметры оптимизированного объектива

Построим графики аберраций оптимизированного объектива

а)

б)

Рис.3.9. а) – поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) – волновые аберрации

Оценим разрешающую способность:

Рис.3.10. Модуляционная передаточная функция оптимизированного объектива

Как видно из рис. 3.10, полученный объектив обеспечивает контраст 0,55 при разрешении 100 линий/мм, что является хорошим показателем для работы системы.