Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического изображения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОИ1 У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 2202.77 (21) 2454909/18-10

Союз Советскна

Социалистических

Республик

<»657301 ($l) М. Ка

G 01 М 11/02 с присоединением заявки ¹

Государственный комнтет

CCCP но делам нзобретеннй н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1504.79 Бюллетень pk14 (оо) УЛК 681.4 (088.8) Лата опубликования описания 150479 (72) Авторы изобретения

Ю.A.Hóðëàê и Ю.Г.Якушенков

Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии

Pl) Заявитель (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА

ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для исследования качества оптических систем.

Известны устройства для испытания линз, содержащие средства для создания сканирующего луча света, перемещающегося относительно испытываемой линзы для получения растра, и фотоэлектрическую систему, расположенную в фокусе линзы. Модуляция входного сигнала осуществляется внешним модулятором fl).

Наиболее близким по технической 1@ сущности к изобретению является аберрационный анализатор, содержащий автоматическую оптико-механическую развертывающую систему, держатель. испытываемой системы, фотоприемное устройство и электронный блок. В приборе в качестве фотоприемного устройства использована телевизионная трубка типа диссектор В автоматической развертывающей систе- 5 ме, включающей в себя светооптическую систему и механизм перемещения сканирующей диафрагмы, последний выполнен в виде двух сменных блоков: диска Нипкова с приводом и сканирую- 36

> щей диафрагмы с рычажно-кулачковым механизмом f2(.

К недостаткам этого устройства относятся необходимость наличия для диссектора специальных электронных блоков, которые создают поля для отклонения электронного луча, фокусируют его, синхронизируют сигналы развертки, устраняют возможность дезинформации, обеспечивают высоковольтное питаииеу возникновение нелинейности строчной развертки при сканировании входного зрачка испытываемой системы при помощи диска Нипкова и необходимость замены механизма перемещения сканирующей диафрагмы для изменения характера сканирования при переходе от снятия точечной диафрагмы к измерению аберраций.

Целью изобретения является уве; личение разрешающей способности и упрощение конструкции устройства, т.е. создание более простого электронного тракта обработки информационного сигнала, позволяющего осуществлять сканирование входного зрачка испытываемой оптической системы по любому закону, измерять поперечную аберрацию и представлять ее в

657301 форме геометрической и волновой аберрации, получать точечные диаграммы как для предМета, находящегося на оптической оси исследуемой системы, так и для предмета вне оси, для различных участков спектра излучения.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве узел фотоприемного устройства выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника с радиальным электрическим полем, расположенного в узле для l0 установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого, изображения, а сканирующая диафрагма автоматической развертывающей системы закреплена н перемеща- 15 ющемся по двум координатам держателе, связанном с механизмом перемещения.

Кроме того, механизм перемещения сканирующей диафрагмы автоматической оптико-механической развертывающей cHcTeMbI выполнен в виде двух отдельных последовательно действующих механизмов, сообщающих держателю сканирующей диафрагмы дискретные перемещения в двух взаимно перпендикулярных напранлениях, чем обеспечивается сканирование входного зрачка испытываемой оптической системы пд любому закону, за- 30 даваемому блоком управления механизмом перемещения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема описываемого устройства; на фиг. 2 — оптическая схема устройства; на фиг. 3 — функциональная схема механизма перемещения сканио рующей диафрагмы; на фиг. 4 — система координат н плоскости изображения, характер развертки входного зрачка, испытываемой оптической системы и схема обработки информационного сигйала при снятии точечной диафрагмЫ) на фиг.5 — система координат в плоскости изображения, характер развертки входного зрачка испытываемой оптической системы и схема обработки информационного сигнала при измерении поперечной аберрации и представлении ее в форме геометрической аберрации;на фиг.б — схема обра- 50 ботки информационного сигнала для представления поперечной аберрации в форме волновой аберрации.

Фотоэлектрическое устройство для 55 анализа оптического изображения (фиг. 1) содержит автоматическую оптико-механическую развертывающую систему 1, включающую светооптическую систему 2 со сканирующей диафрагмой 3, предназначенную для формирования узкого параллельного пучка излучения и сопряжения плоскости перемещения сканирующей диафрагмы.с плоскостью входного зрачка 4 испытываемой оптической системы 5 (фиг. 2), и ме- 65 ханиэм 6 перемеще»ия сканирующей диафрагмы, осуществл яющий процесс сканирования; держатель 7 испытываемых оптических систем, предназначенный для установки их соос»о с оптической осью антоматической оптико-механической развертывающей системы и совмещения плоскости входного зрачка испытываемой оптической системы с плоскостью изображе»ия сканирующей диафрагмы, а также для проведения измерений для предмета, находящегося на оси испытываемой оптической системы и в»е ее; фотоприемное устройстно 8, включающее н себя позиционно-чунстнительный фотоприемник 9 с радиальным электрическим полем, служащий для определения координат точки пересечения сканирующего луча, прошедшего через входной зрачок испытываемой оптической системы, с плоскостью изображения последней и устройство 10 для установки чувствительной площадки фотоприемника н плоскости исследуемого изображения; электронный блок

11, включающий блок управления 12 механизмом перемещения сканирующей диафрагмы, задающий необходимый характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической системы, электронный тракт 13 обработки информационного сигнала с фотоприемника и блока 14 питания и управления всем устройством; регистрирующее устройство 15, соединенное с выходом электронного блока, предназначенное для наблюдения и записи информации, полученной в результате измерения.

Снетооптическая система 2 (фиг.2) содержит источник излучения 16; коллиматор, предназначенный для имитации пр4дмета, находящегося в бесконечности, включающий в себя объектив

17 и диафрагму 18, установленную в его фокусе; сканирующую диафрагму

3, расположенную перед диафрагмой коллиматора, предназначенную для формиронания узкого параллельного пучка излучения; линзу 19, расположенную вплотную к плоскости диафрагмы 18 коллиматора и изображающую диафрагму 20 поля зрения, в плоскости которой перемещается сканирующая диафрагма, во входной зрачок испытываемой оптической системы; осветительную систему, расположенную между источником излучения и сканирующей диафрагмой, включающую коллектор 21, изображающий с увеличением тело накала источника излучения 16 в плоскости диафрагмы 20 для равномерного заполнения входного зрачка испытываемой системы, конденсор 22, .. расположенный вплотную к плоскости диафрагмы 20 поля зрения, изображающий с уменьше»ием равномерно освещенную апер657301 туру коллектора в плоск..ти лиафpàããû 18 коллиг«атора для ее равномерного освещения, блок сменных светофильтров 23 расположенный междj H(.òa÷ í««åΫ«н элучени я и коллектором, предназначенный для проведения измерений в различных участках спектра излучения.

Узел 10 для установки чувствительной площадки фотогриемника в плоскости исследуемого изображения содержит узел 24 для ориентирования координатных осей фотоприемника. Для осуществления контроля совмещения служит микроскоп 25 с имитатором чувствительной плошацки фотоприемника.

Механизм 6 перемещения сканирующей диафрагмы (фиг. 3) содержит перемещающийся по двум координатам держатель 26 сканирующей диафрагмы, шаговые двигатели 27 с коммутаторами 28, связанными с блоком управления 12 механизмом перемещения, пред назначенные для последовательного дискретного перемещения через передачи винт-гайка 29 держателя сканирующей диафрагмы в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Регистрирующее устройство 15 включает осциллограф, предназначенный для непосредственного наблюдения процесса измерения, самописец, предназначенный для записи измерительной информации на бумажную ленту, цифропечатаюшее устройство с аналого-цифровым преобразователем, позволяющее производить обработку результатов измерения на ЭЦВМ.

Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического иэображения работает следующим образом.

Автоматическая оптико-механическая развертывающая система 1 сканирует входной зрачок испытываемой оптической системы узким параллельным пучком излучения. Характер сканирования и управление механизмом

6 перемещения сканирующей диафрагмы осуществляются блоком управления

12.После прохождения через испыты-ваемую оптическую систему сканирующий луч попадает на чувствительную плошадку фотоприемника 9, с которого непосредственно снимаются сигналы, пропорциональные координатам точки пересечения сканирующего луча с плоскостью исследуемого изображения. Эти сигналы поступают в электронный тракт 13 обработки сигнала, в который также поступают сигналы с блока управления 12, несущие информацию о положении луча в плоскости входного зрачка испытываемой оптической системы.

В электронном блоке эти сигналы обрабатываются и поступают на регистрирующее устройство 15. На экране осциллографа и ченте самописца изображаются графики соответствующего процесса измерения. Цифропечатаюшее устройство дает запись результатов измерения в цифровом виде для обработки на ЭЦВМ.

5 Характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической системы и характер обработки сигналов в электронном тракте определяются в зависимости от того, что необхо10 димо измерить.

1. Снятие точечной диафрагмы (фиг. 4).

Точечная диафрагма — изображение точек пересечения отдельных лучей, проходящих через плоскость входного зрачка испытываемой оптической системы с плоскостью изображения (фиг.

4,а). Характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической системы, задаваемый блоком управления 12, может быть выбран следующим (фиг. 4, б и в): однородное распределение точек пересечения лучей с плоскостью (входного зрачка на квадратной сетке; однородное распределение точек пересечения лучей с плоскостью входного зрачка на круглой сетке, концентричной с главным лучом.

Сигналы, пропорциональные коор30 динатам Х и У точки пересечения луча с плоскостью изображения, снимаются непосредственно с позиционно-чувствительного фотоприемника 9, чувствительная площадка которого совмещена с плоскостью изображения испытываемой оптической системы. В электронном тракте обработки сигнала (фиг. 4г) при помощи усилителей 30 они усиливаются и подаются без дальнейшей обработки на выход электронного блока, соединенный с регистрирующим устройством 15.

2. Измерение поперечной аберрации (фиг. 5) .

Поперечная аберрация — смешение

45 точки пересечения луча в плоскости изображения относительно положения луча по диаметру входного зрачка испытываемой оптической системы (фиг. 5,а). B этом случае блок уп50 равления 12 осуществляет линейную развертку по диаметру входног.о зрачка (фиг. 5,6) . Обычно поперечную аберрацию представляют меридиональной и сагиттальной слагающими:

d = Хэ«п Г+ leos% и д = ХсоэЧ-Уэ«пЧ где д,р — меридиональная слагающая поперечной аберрации, d c — сагиттальная слагающая поперечной аберрации, X,Y — - координаты точки пересечения луча с плоскостью иэображения, азимутальный угол раэверт65 ки.

657301

Формула изобретения

Устройство обеспечивает раздельное измерение этих слагающих аберрации. Сигналы, пропорциональные координатам Х и У точки пересечения . луча с плоскостью изображения, снимаются с позиционно-чувствительного фотоприемника 9, чувствительная площадка которого совмещена с плоскостью изображения испытываемой оптической системы. В электронном тракте обработки сигнала (фиг.5в) с помощью усилителей 30 они усиливаются и поступают в множительные устройства 31, в которые с блока управления 12 поступают сигналы, пропорциональные ЗЫ и Сов аэимутального угла У . Затем сигналы с множительного устройства поступают в суммирующее устройство .32 ° Сигнал с суммирующего устройства 32, пропорциональный измеренной аберрации, и сигнал с блока . управления 12, пропорциональньтй координате луча в плоскости входного зрачка, поступают на выход электронного блока.

С выхода электронного блока они поступают на регистрирующее устройство 15.

3. Представление поперечной аберрации в форме волновой аберрации (фиг, б) .

Волновая аберрация описывается уравнением: > д J(XSinF+ YñîóÓÓÓ, о где 6. - волновая аберрация, Я вЂ” расстояние от плоскости изображения до плоскости выходного зрачка испытываемой оптической системы, X,Y — координаты точки пересечения луча с плоскостью изображения, У вЂ” полярные координаты точки пересечения луча в плоскости выходного зрачка.

Так как в устройстве используется синхронная развертка (р/р,©„ =

= 9 ),.то волновая аберрация может бйть получена интегрированием по времени меридиональной слагающей поперечной аберрации:

Pmgq +

)он, где д „, †.меридиональная слагающая поперечной аберрации, я,,1 „ †.максимальный радиус;.развертки, время, в течение которого радиус развертки достигает caoeN максимальной величины, 9 С,„- постоянная величина, характеризующая автоматическую развертызакщую систему, pщд„ /Я вЂ” синус апертурного угла в пространстве изображения.Эта вели- чина зависит как от испытываемой оптической системы,так и от оптической части устройcTBа, применяемого для ее контроля, поэтому ее необходимо определять для каждой испытываемой системы.

Обработка сигнала при измерении волновой аберрации до интегрирующего устройства 33 аналогична обработке сигнала при измерении поперечной аберрации. Интегрирование управляется с блока управления 1,2 устройством, включающим интегрирующее р устройство 33, когда P =0 и выключающим - когда р =р

Выход интегратора подается на множительное устройство 34, сюда же поступает сигнал, пропорциональный и араметруЯ / Й определяемый из предварительного эксперимента. Известно, что изменение волновой аберрации и перемещение плоскости измерения вдоль оптической оси связаны уравнением:

20 д 7 2 zð е= 2„, - Гр и=,р ° с тогда р д гд с) о

R Ъ Е

25 Следовательно, измеряя и интегрируя поперечную аберрацию при совмещенной плоскости изображения и чувствительной площадки приемника излучения и при введении расфокусировки q7, 3Q можно определить парметр Р д„/g.

Параметр Я пд /R определяется следующим образом. Сигналы первого и второго измерений с выхода интегрирующего устройства 33 поступают в разнос тное ус тройс тво 3 5, сигнал с которого поступает в делительное устройство Зб. Сюда же поступает сигнал с узла 10 фотоприемного устройства, соответствующий смеще40 нию плоскости измерения на дZ . .Сигнал с целительного устройства Зб, соответствующий параметруД„, „/Я подается в множительное устройство 34. Сигнал с множительного устройства 34, пропорциональный измеренной аберрации, и сигнал с блока управления 12, пропорциональный координате луча в зрачковой плоскости, поступает на выход электронного блока. С выхода электронного блока они

50 поступают на регистрирующее устройство 15.

1. Фотоэлектрическое устройство бб для анализа оптического изображения, содержащее автоматическую оптикомеханическую развертывающую систему с механизмом перемещения ее сканирующей диафрагмы, установленное

60 соосно с ней фотоприемное устройство с приемником излучения, чувствительная площадка которого совме щена с плоскостью изображения испытываемой оптической системы, связанный с ними электронный блок с подбб ключенным к нему регистрирующим

65730) Ю2 1

75 10 устройством и держатель испытываемых оптических систем, расположенный между автоматической развертываюшей системой и фотоприемным устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности дискретного перемещения сканируюшей диафрагмы в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в нем фотоприемное устройство выполнено в виде позиционно-чувствительного фотоприемника с радиальным электрическим полем, расположенного в узле для установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого изображения, а сканирующая диафрагма автоматической развертывающей системы закреплена в перемещающемся по двум координатам держателе, связанном с механизмом перемещения °

2. Устройство пс п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что механизм перемещения сканируюшей диафрагмы, выполненный в виде двух последовательно действующих механизмов, сообшаюших держателю сканирующей диаф5 рагмы дискретные. перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, содержит две передачи винтгайка, соединявшие держатель сканирующей диафрагмы с шаговыми двига 0 телями, коммутаторы которых подключены к блоку управления механизмом перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании

9 1104684, кл. Cjl Л, 1968 °

2. OptiCa Acta, 1972, чоЕ. 19, М 2, с. 105-119. б 57301

У к х иг 5

4hz, б

ЦНИИПИ Заказ 1782/41 Тираж 1089 Подписное

Филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, Ул. Проектная, 4