Способ контроля качества объективов
METHOD OF CONTROL OF LENS QUALITY

Изобретение относится к области оптотехники, а точнее к оптическим измерениям, и может быть использовано при контроле и аттестации оптической продукции, имеющей высокие оптические характеристики качества изображения.
Традиционные методы контроля оптических характеристик объективов, определяющих качество изображения, во многом основаны на визуальных оценках. Однако повышенные требования к качеству изображения, создаваемого объективом, приводят к тому, что исследования объективов и контроль их оптических характеристик, определяющих качество изображения, уже нельзя выполнять на базе только визуальных измерений. В частности, для оценки передающих свойств объектива недостаточно проводить измерения разрешающей способности, а требуется более полная количественная и объективная информация о качестве оптического изображения.
Визуальные методы контроля качества изображения трудоемки и утомительны. Результаты измерений зависят от психофизических особенностей испытателя. Кроме того, визуальные методы нельзя использовать для непосредственного определения оптических характеристик объективов, применяемых для создания изображения в невидимой области спектра. Поэтому современные средства контроля качества объективов для оптических и оптико-электронных приборов (объективы для фотоаппаратов, микроскопов, телескопов, проекционной аппаратуры, прицелов и т.п.) развиваются в направлении создания методов и аппаратуры, дающих однозначные количественные результаты и не зависящих от индивидуальных особенностей испытателя.
Для перечисленных выше оптических и оптико-электронных устройств основным требованием является получение максимальной резкости изображения, получаемого в фокальной плоскости проверяемого объектива.
Поэтому главным критерием при проверке качества объективов для этих устройств является обеспечение минимально возможных размеров кружка рассеяния в фокальной плоскости этих объективов, что исключает использование операции дефокусировки в процессе проведения фокусировки таких объективов.
Для проверки выполнения этого требования (максимальной резкости изображений) в качестве тест-объекта для перечисленных выше устройств используют штриховые миры, типичный вид которой показан в книге Кирилловского В.К. «Современные оптические исследования и измерения: учебное пособие». - СПб.: Изд. «Лань», стр. 116. А критерием качества проверяемого объектива при использовании штриховой миры является достижение максимальной величины контраста в изображении штрихов определенного шага, как описано в патентах RU 2078360, RU 2282170.
Известен способ контроля качества объектива (RU 2078360), заключающийся в формировании при помощи центрального коллиматора параллельного пучка лучей от первой оптической миры, а при помощи полевого коллиматора наклонного параллельного пучка лучей от второй оптической миры, проецировании пучков на входной зрачок контролируемого объектива, формировании в задней фокальной плоскости объектива изображения оптических мир соответственно в центре и на краю поля зрения объектива, масштабировании изображения при помощи микрообъектива, преобразовании полученного оптического изображения в электрический сигнал при помощи ПЗС-камеры, вычислении контраста изображений мир, поиске плоскости наилучшей установки по максимуму значения измеряемого контраста.
Недостатком данного способа и аналогичных ему способов (например, по патенту RU 2282170) является то, что использование в качестве тест-объектов штриховых мир и применяемый в качестве критерия качества объектива метод измерения максимального контраста изображения штрихового тест-объекта не дают информации о форме и параметрах распределения светового сигнала (СВС) в изображении рабочей звезды (РЗ), созданном объективом звездного датчика (ЗД), называемом функцией рассеяния точки (ФРТ).
Поэтому наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту следует отнести техническое решение, описанное в книге Кирилловского В.К. «Современные оптические исследования и измерения: учебное пособие». - СПб.: Изд. «Лань», стр. 160-163. В этом источнике раскрыта установка для измерения ФРТ объектива фотовидеокамеры в положении наименьших аберраций методом изофотометрии с накоплением, т.е. с помощью описанного устройства проводится исследование качества изображения путем контроля ФРТ, для чего формируют световой поток от источника засветки, подсвечивают этим световым потоком круглый тест-объект маленького диаметра, направляют диафрагмированный световой пучок на коллиматор, пучок на выходе которого фокусируют исследуемым объективом на фоточувствительной поверхности фотоприемника (ФЧП), формируют изображение точечной диафрагмы, преобразуют распределение световых сигналов, полученных исследуемым объективом в виде ФРТ, в распределение электрических сигналов фотоприемника (ФП), измеряют их, полученные результаты сопоставляют с расчетными данными и по их соответствию судят о качестве исследуемого объектива.
Однако применяемый для реализации способа одноплощадочный ФП (телевизионная камера) не позволяет получать распределение СВС в ФРТ, а представляет информацию в виде изофот - сечений ФРТ, имеющих фиксированную освещенность, показанных на фиг.1, что является недостатком данного метода, поскольку изофоты не дают информации о распределении СВС в ФРТ РЗ. А информация о размерах изображения ФРТ по фоточувствительным элементам (ФЧЭ) многоэлементного ФП носит приближенный характер. И для ее привязки к размерам ФРТ требуется проведение трудоемких перерасчетов, снижающих точность полученных результатов. Кроме того, следует заметить, что, в отличие от перечисленных выше объективов для устройств «земного базирования», ЗД устанавливаются на космические аппараты (КА) и используются для определения ориентации КА по измеренным координатам изображений РЗ, попадающих в поле зрения объектива ЗД.
Вследствие большой удаленности РЗ от ЗД приходящие на вход объектива ЗД лучи от РЗ имеют вид параллельного пучка, который должен формировать точечное изображение в фокальной плоскости объектива ЗД в виде ФРТ. В любом реальном объективе имеются аберрации, искажающие качество изображения реальной ФРТ, в результате чего распределение СВС в реальной ФРТ отличается от идеального большей степенью размытости по ФЧЭ, прерывистым характером дифракционных колец и степенью центральной симметричности, как показано на фиг. 2 и фиг. 3, где А, Б, В, Г, Д - типичные формы ФРТ при наличии аберраций различного вида. При этом приведенные на фиг.3 типы аберрационных изображений присущи любым типам объективов: фотографическим, проекционным, микроскопическим, астрономическим, в т.ч. многолинзовым объективам ЗД.
Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков, в результате чего решается задача создания способа контроля качества современных оптических систем, соответствующих своему назначению и обладающих предельно высокими оптическими характеристиками, например, таких как объективы ЗД.
Для достижения поставленной задачи в заявленном способе контроля качества объективов, заключающемся в получении светового потока от источника засветки, подсветке этим световым потоком тест-объекта, в качестве которого используют точечную диафрагму, подаче диафрагмированного светового потока на коллиматор, фокусировке светового потока из коллиматора исследуемым объективом на ФЧП ФП и формировании изображения точечной диафрагмы, преобразовании распределения световых сигналов в распределение электрических сигналов в ФП, измерении электрических сигналов ФП, построении по электрическим сигналам функции распределения энергии и определение по ней качества исследуемого объектива, при этом фокусируют световой поток из коллиматора исследуемым объективом ЗД на фоточувствительную поверхность технологического многоэлементного ФП (МФП), размер элемента которого меньше и кратен размеру ФЧЭ штатного МФП, входящего в состав ЗД, формируют изображение точечной диафрагмы на ФЧЭ технологического МФП в виде распределения световых сигналов, с последующим преобразованием полученных электрических сигналов в функцию распределения энергии в виде ФРТ, преобразуют распределение ФРТ по ФЧЭ технологического МФП в ФРТ по ФЧЭ штатного МФП ЗД, а качество исследуемого объектива оценивают сравнением соответствия преобразованного критериям оптимальности по ФЧЭ штатного МФП ЗД расчетным распределением ФРТ исследуемого объектива ЗД, полученным с применением математического аппарата, и по соответствию критериям оптимальности делают вывод о качестве объектива, а при несоответствии критериям оптимальности проводят расфокусировку исследуемого объектива для получения нового распределения ФРТ по ФЧЭ технологического МФП, и повторяют вышеуказанную последовательность операций.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение точности контроля качества объективов с возможностью доведения их до установленных оптимальных критериев. Это стало возможным достичь благодаря выполнению определенной последовательности действий во времени над материальным объектом (оптическим и электрическим сигналом) с помощью материальных средств, без которых невозможно выполнение действий, составляющих способ, и условиям, при которых выполняются действия.
Для пояснения сущности изобретения предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где показаны:
на фиг. 1 - информация в виде изофот - функций распределения энергии в виде сечений ФРТ, имеющих фиксированную освещенность (реализация способа в прототипе),
на фиг. 2 - результаты замеров ФРТ (функций распределения энергии) на реальных многолинзовых объективах ЗД,
на фиг. 3 - типичные формы ФРТ при наличии аберраций различного вида,
на фиг. 4 - схема устройства для контроля качества объектива,
на фиг. 5 - ФРТ-стенд для проверки качества объективов ЗД,
на фиг. 6 - внешний вид стенда для проверки качества объективов ЗД,
на фиг. 7 - ФРТ идеального объектива ЗД, определяемая только дифракцией,
на фиг. 8 - вид ФРТ по ФЧЭ штатного МФП,
на фиг. 9 - зависимость погрешности определения координат центроиды от относительной величины радиуса ФРТ в идеальном случае (при нулевых шумах ФП) и в реальном случае (при ненулевых шумах ФП),
на фиг. 10 - варианты ФРТ в виде диаграмм для реальных объективов ЗД, полученные на ФРТ-стенде, показанном на фиг. 5.
ЦВ
Схема устройства, изображенного на фиг. 5, реализует заявленный способ. Элементы оптической схемы стенда, реализующего заявленный способ, приведены на фиг. 4. Излучение от источника 1 (лампы излучателя, отградуированного под спектр А (Т=2850К)), пройдя через конденсор 2 и тест-объект 3, имеющий форму круглого отверстия маленького диаметра в виде точечной диафрагмы, размещенного в фокальной плоскости объектива коллиматора 4, попадает на коллиматор 4, при этом выходящий из него световой поток фокусируют исследуемым (проверяемым) объективом ЗД 5 без использования проекционного объектива 6 на ФЧП технологического МФП 7, размер элемента которого выбирают меньшим и кратным размеру ФЧЭ штатного МФП, входящего в состав ЗД. Сформированное изображение точечной диафрагмы на ФЧЭ технологического МФП 7 в виде распределения световых сигналов преобразуют в распределение электрических сигналов, а затем - в функцию распределения энергии в виде ФРТ по ФЧЭ технологического МФП, которое затем преобразуют в ФРТ по ФЧЭ штатного МФП ЗД, полученного с применением математического аппарата, и по соответствию распределения ФРТ по ФЧЭ штатного МФП ЗД критериям оптимальности делают вывод о качестве объектива, а при несоответствии критериям оптимальности проводят расфокусировку исследуемого объектива для получения распределения ФРТ по ФЧЭ технологического МФП и повторяют вышеуказанную последовательность операций. Вся обработка сигналов производится в электронном блоке обработки сигналов 8 и далее поступает на дисплей 9 персонального компьютера 10.
На фиг. 5 представлен ФРТ-стенд для проверки качества объективов ЗД, где:
11 - основание ФРТ-стенда,
12 - имитатор звезды,
13 - проверяемый объектив ЗД,
14 - столик для фиксации проверяемого объектива,
15 - технологический многоэлементный матричный ФП,
16 - столик-держатель ФП,
17 - поворотный стол.
В отличие от объективов для устройств «земного базирования», где основным требованием является обеспечение минимальных размеров ФРТ, получаемой в фокальной плоскости проверяемого объектива, для объективов ЗД, в которых используются многоэлементные матричные ФП, специфичность требований к качеству изображения состоит в:
- необходимости получения таких параметров ФРТ, при которых минимизируются погрешности определения координат изображений РЗ, попадающих в поле зрения ЗД,
- возможности использования дефокусировки объектива для достижения этой цели.
i,j
i,j
i,j
Описанная выше специфичность требований к качеству изображения объективов ЗД вытекает из способа обработки изображений ФРТ от РЗ, применяемого для вычисления координат изображений РЗ на ФЧП ФПУ, попадающих в поле зрения объектива ЗД, которые (координаты изображения РЗ на ФЧП ФП) используются для определения ориентации КА: Х, U, Y, ΔХ, ΔY.
Наиболее часто для вычисления координат изображения РЗ в ЗД используется метод центроиды, согласно которому строчно-столбцовые координаты взвешенного центра изображения РЗ (центроиды) находятся в соответствии со следующими формулами (1):
,
i,j
где Х - номер столбца,
i,j
U - номер строки,
i,j
i,j
i,j
Y - значение электрического сигнала в ФЧЭ со строчно-столбцовыми координатами (i, j), равными (Х, Y) соответственно.
На основании формул (1) можно построить качественную зависимость погрешности определения координат центроиды от относительной величины радиуса центрально симметричной ФРТ, показанную на фиг. 9, для идеального случая (без учета шумов ФП - кривая 1+2) и реальную (с учетом шумов ФП - кривая 1+3).
Как видно из фиг. 9, в реальных условиях (с учетом шумов ФПУ или внешнего фона) изображение ФРТ имеет оптимальный размер, при котором достигается минимальное значение погрешности определения координат центроиды. Величина оптимального размера ценрально симметричной ФРТ лежит в диапазоне ~ 3×3…4×4 размера ФЧЭ штатного ФП ЗД.
Условие обеспечения центральной симметричности ФРТ минимизирует дополнительную составляющую погрешности определения координат центроиды, обусловленную несимметричностью искажений формы ФРТ, как показано на изображениях ФРТ на фиг. 2. Поэтому одной из задач контроля качества объективов ЗД является контроль степени центральной симметричности ФРТ проверяемого объектива ЗД.
Для контроля степени центральной симметричности ФРТ необходимо методом подвижек текущего проверяемого объектива ЗД вдоль оси падающего пучка от имитатора РЗ, как показано на фиг. 5, добиться минимального для текущего объектива размера ФРТ на ФЧП ФП, т.к. в сжатом распределении ФРТ за счет больших амплитуд СВС, накопленных в ФЧЭ, более явно видна структура распределения СВС в изображении ФРТ, как показано на фиг. 2.
Для достоверного анализа степени центральной симметричности распределения, имеющей минимальный для текущего объектива размера ФРТ, и степени оптимальности параметров ФРТ, необходимо:
- использовать технологический матричный ФП с размером ФЧЭ, в несколько раз меньшим, чем размер ФЧЭ штатного матричного ФП ЗД,
- чтобы размеры ФЧЭ технологического ФП были примерно кратными размерам ФЧЭ штатного ФП.
Необходимость использования технологического матричного ФП, удовлетворяющего описанным выше условиям, обусловлена следующими причинами.
1. Процессы изготовления и сборки объективов и штатных многоэлементных ФП являются хотя и скоординированными, но, в значительной степени, автономными. Причем изготовление и сборка объективов обычно опережают процесс изготовления и поставки штатного ФП внешним производителем. Поэтому, чтобы не зависеть от состояния поставок штатных ФП, целесообразно иметь постоянное технологическое ФП, с помощью которого можно производить фокусировку уже изготовленных объективов ЗД даже при отсутствии у изготовителя ЗД образцов штатного ФП.
2. Фокусировка проверяемого конкретного объектива может производиться двумя основными вариантами:
- фокусировка при расположении ФРТ в центре поля зрения объектива с последующей проверкой центрально симметричного изображения ФРТ на краю поля зрения,
- фокусировка при расположении ФРТ на краю поля зрения объектива с последующей проверкой центрально симметричного изображения ФРТ в центре поля зрения.
На основе проведенных измерений на ФРТ-стенде (фиг. 5) на реальных объективах была получена диаграмма фиг. 10.
На диаграмме приведены варианты ФРТ для указанных реальных объективов ЗД.
Расшифровка обозначений, используемых на диаграмме, приведена в таблице.
Анализ ФРТ, полученных для обоих вариантов фокусировки для ФРТ на ФЧП технологического ФП («технологической» ФРТ) с большим разрешением, чем при использовании штатного ФП, и приведенных на диаграмме, позволяет:
- определить заранее более предпочтительный вариант фокусировки проверяемого объектива ЗД для последующей его фокусировки со штатным ФП исходя из требуемых размеров оптимального изображения РЗ,
- спрогнозировать погрешность определения координат изображения РЗ и провести необходимые доработки проверяемого объектива до последующей его фокусировки со штатным ФП,
- принять обоснованное решение о необходимости дефокусировки проверяемого объектива для достижения параметров ФРТ внутри граничных значений, обеспечивающих оптимальные размеры ФРТ и допустимые погрешности определения координат изображений РЗ в поле зрения,
- исследовать принципиальную возможность достижения требуемых параметров ФРТ при различной степени дефокусировки проверяемого объектива до последующей его фокусировки со штатным ФП.