Разработка алгоритмического и программного обеспечения для установки контроля качеств изображения объектива

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТИВА

Ле Зуй Туан

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.К. Кирилловский

Для устранения недостатков традиционных методов прямого определения ФРТ, основанных на сканировании, разработаны изофотометрические методы экспериментального анализа пятна рассеяния, сформированного при работе изготовленной оптической системы. Эти методы позволяют регистрировать перепады освещенности в пятне рассеяния в диапазоне до пяти порядков (105), строить кривые распределения освещенности в любом сечении, а также топограмму распределения освещенности в пятне рассеяния, вычислять ФКЭ (концентрацию энергии) и ФПМ (ЧКХ) системы. Работа посвящена развитию данных методов на основе их компьютеризации.

Введение

Сложный процесс создания современной оптической системы может быть разделен на два этапа: проектирование и изготовление. На первом этапе производятся расчет параметров системы и расчетная оценка качества изображения, которое она может обеспечить. При изготовлении стремятся получить реальную систему с параметрами, насколько возможно близкими к расчетным. Полученное качество изображения оценивается средствами оптических измерений.

Сведения о структуре изображения, построенного изготовленной оптической системой, могут быть получены прямым и косвенным путями [1].

Косвенные способы оценки качества изображения состоят в измерении структуры деформаций волнового фронта в зоне зрачка, на выходе оптической измерительной схемы, и последующем вычислении, на основе полученной карты волнового фронта, функций, описывающих структуру и качество оптического изображения. Преимущества косвенных методов состоят в том, что они позволяют по известной топографии отклонений фронта волны рассчитать большинство характеристик качества изображения. Результаты, полученные этими методами, не зависят от особенностей приемника изображения в схеме контроля. Косвенные методы дают возможность определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения, что служит предпосылкой широкого применения косвенных методов в условиях производства, например, при обработке оптических поверхностей, изготовлении оптических элементов и юстировке оптических систем. Ограничения косвенных методов составит в том, что при таких оценках не учитывается влияние на качество изображения ряда важных факторов, действующих при изготовлении оптической системы, например, таких, как малые дефекты оптических поверхностей, нечистота и шероховатость оптических поверхностей, мелкоструктурные свили и неоднородности оптических материалов при работе, оптических покрытий и дефекты склеек, светорассеяние и блики в оптической системе и в приборе. Однако при оценке реального качества изображения, сформированного изготовленной оптической системой, влияние этих факторов необходимо учитывать, так как они способны существенно снизить качество реального изображения.

Прямые способы оценки качества изображения состоят в наблюдении изображения тест-объекта, сформированного при помощи исследуемой системы в зоне изображения, и измерении фотометрической структуры этого изображения, т.е. в определении функция рассеяния (например, функции рассеяния точки ФРТ или функции рассеяния линии ФРЛ). Функции рассеяния и связанные с ними оптическая передаточная функция ОПФ, функция передачи модуляции ФПМ и функция концентрации энергии в изображении точечного тест-объекта служат на практике количественными характеристиками

качества изображения оптической системы. Прямыми методами оценки качества изображения учитываются все без исключения факторы, участвующие в формировании структуры реального оптического изображения. В этом состоит существенное и основное достоинство прямых методов. Поэтому в ответственных случаях, при исследованиях и измерениях оптических систем высокой точности, методы прямой и косвенной оценки качества изображения применяются совместно.

При оценке качества изображения прямыми методами часто требуется измерение распределения освещенности в изображении тест-объекта «светящаяся точка», т.е. определение функции рассеяния точки (ФРТ). Экспериментально найденная ФРТ, характеризуя качество системы, позволяет учитывать все особенности волновой поверхности, сформированной системой, в том числе и характер микрорельефа оптических поверхностей, дефекты оптических материалов, блики, отклонение пропускания (или отражения) на зрачке, сдвиги изображения, возникшие при работе прибора, и т.д. С помощью ФРТ в осредненной и мгновенной форме можно учитывать флюктуации оптических характеристик воздушного тракта, непрерывно изменяющиеся во времени по сложному случайному закону. ФРТ позволяет надежно аттестовать качество изображения системы с несколькими зрачками. ФРТ, являясь первичной характеристикой качества изображения, позволяет перейти к другим требуемым характеристикам качества изображения, таким как ФРЛ, ФПМ (ЧКХ), краевая функция, функция концентрации энергии и другие.

Традиционные методы измерения распределения освещенности в пятне рассеяния [1-3] реализуются с помощью сканирующих диафрагм. Увеличенное оптическое изображение пятна рассеяния сканируется диафрагмой, диаметр которой в 40-50 раз меньше исследуемого поля. Обычно сканирование производится по ряду параллельных прямолинейных строк. Выводя на осциллограф сигнал строки, наблюдают график изменения напряжения видеосигнала по этому сечению, которое в определенных пределах, зависящих от формы световой характеристики фотоприемника, пропорционально освещенности в каждой точке строки сканирования.

Однако за пределами этого линейного участка напряжение сигнала при сканировании не пропорционально уровню освещенности, причем отклонение от пропорциональности изменяется по нелинейному закону. Поэтому фотометрическая структура пятна искажается, и измерения носят лишь ориентировочный характер. Линейный участок световой характеристики для существующих фотоприемников в режиме непрерывного сканирования не позволяет оценивать перепады освещенности более чем в 100 раз, однако практика исследования ФРТ, например, реальных астрономических приборов показывает, что для достоверной оценки концентрации энергии в пятне рассеяния необходимо измерить ФРТ в диапазоне не менее четырех порядков. Поэтому во многих случаях приходится использовать более современный метод изофотометрии, который обеспечивает определение освещенности в достаточно широком диапазоне и позволяет более корректно вычислять относительную концентрацию энергию в различных пятнах рассеяния.

Метод изофотометрии

Для устранения указанных недостатков традиционных методов определения ФРТ разработаны изофотометрические методы экспериментального анализа пятна рассеяния, сформированного при работе реальной (изготовленной) оптической системы. Эти методы позволяют регистрировать перепады освещенности в пятне рассеяния в диапазоне более пяти порядков (105), строить кривые распределения освещенности в любом сечении, а также топограмму распределения освещенности, вычислять ФКЭ и ФПМ.

Метод фотографической изофотометрии основан на получении серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции, т.е. получении совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности. Каждое фотометрическое сечение формируется как фигура с четким контуром, которая называется изофотой. Поэтому изофота есть геометрическое место точек, имеющих различные пространственные координаты и равное значение координаты относительной освещенности. Формирование изофоты исследуемого оптического изображения осуществляется благодаря применению приемника изображения, обладающего световой характеристикой (или функцией преобразования ФП) типа "импульс".

Изофотометрия с изменяющимся временем накопления

Для получения системы изофот (изофотограммы) исследуемого распределения освещенности необходимо использовать ФП типа "гребенка" (лат. COMB). Эта функция имеет вид ряда равномерно расположенных импульсов [1].

Итак, выполняется регистрация данного оптического изображения в виде серии последовательных кадров при осуществлении ряда экспозиций различной длительности [1, 5]. Удобно этот ряд экспозиций располагать по шкале длительностей, значения которых определяются степенным законом:

t, = 2, (1) где t - относительная продолжительность экспозиции.

lgE

E = 1

0,5 0,25 0,125

t = 1

lgE

D„

0,125

Рис. 1. Схема метода изофотометрии с переменным временем накопления

и вид изофотограммы

Равномерная шкала логарифмов экспозиции позволяет последовательно «наводиться» импульсной характеристической кривой на равномерный ряд фотометрических сечений, расположенных по логарифмическому закону изменения интенсивности.

Для построенного семейства характеристических кривых Dn = f (lg E) при t = const каждой отдельной кривой соответствует соотношение из следующей серии:

Ex = H !tx; E2 = H/t2;... En = H / tn.

Нормируя полученный ряд освещенностей к значению максимальной освещенности в данном распределении, получим выражение в относительных (безразмерных) единицах,

Еотн = Н / ¡отн ,

или в логарифмической форме,

18 Еотн = — ¡отн •

При этом время удобно задавать в целых числах, а относительную освещенность -в долях от максимального значения, принятого за единицу.

Последние две формулы являются основными выражениями структурометриче-ского метода изофотометрической регистрации.

Таким образом, при использовании приемника изображения с импульсной функцией преобразования, изменяя время накопления на приемнике изображения, достигаем эффекта перемещения импульсной функции преобразования в новые положения вдоль оси 1§ Е .

Рис. 2. Схема установки для измерения ФРТ фотообъектива по методу изофотометрии с изменяющимся временем накопления при помощи ВЕБ-камеры: 1 - лазер, 2 - фотометрический кпин; 3 - система для фокусировки лазерного пучка, 4 - точечная диафрагма, 5 - объектив коллиматора, 6 - исследуемый объектив, 7 - изображение точечного тест-объекта (пятно рассеяния), 8 - проекционный микробъектив, 9 - ВЕБ-амера (приемник изображения), 10 - компьютер

На практике при контроле качества изображения оптической системы изображение светящейся точки, построенное исследуемой системой, многократно фотографируют на однотипный фотоприемник высокой контрастности при различных длительностях экспозиции. Изофоты различных уровней, расположенные на отдельных снимках, после оконтуривания совмещают в топограмму распределения освещенности (изофото-грамму). В качестве приемника изображения можно, например, использовать любые цифровые видеокамеры, имеющие способность изменения времени накопления. Такие камеры широко распространены, например, видеокамеры производства Тайвань типа CB-3803S или CC-8606S. Они способны изменять время накопления в широком диапазоне 1/50-1/100000 с, что обеспечивает перепады регистрируемой освещенности в пятне рассеяния в диапазоне более трех порядков. Для макетной установки была использована ВЕБ-камера фирмы «Creative», ее диапазон изменения относительного времени накопления составляет 1-240 .

4

5

Рис. 3. Алгоритмическое решение компьютерной версии изофотометрии с переменным

накоплением

На рис. 2 изображена принципиальная схема устройства. Оно содержит осветительную систему, в которую входят лазер 1, расширительная линза и объектив 3, формирующий точечный источник света. В осветительную систему введен перемещающийся (вращающийся) фотометрический клин 2, плавно меняющий световой поток. Сформированный точечный источник света посылает расходящийся пучок через объектив коллиматора 5 в зрачок исследуемой системы 6, которая строит пятно рассеяния 7. Это изображение переносится с увеличением при помощи микроскопа 8 на чувствительную площадку приемника изображения 9 (ПЗС ВЕБ-камеры). ВЕБ-камера превра-

щает изображения иятна рассеяния в видеосигнал и посылает в компьютер через порт USB. При помощи программы «Videoprocess» можно посмотреть пятно рассеяния на мониторе и снять последовательные фотографии в виде цифровых, введенных в модуль выделения изофот.

В исходном состоянии параметр «exposure» ВЕБ-камеры установлен на минимальное значение t1, а фотометрический клин введен так, что световой поток в схеме контроля формирует изображение, дающее изофоту в виде точки (первая изофота). Эта изофота соответствует максимуму освещенности £отнь которое принимаемся равным единице.

В процессе измерения, после установки увеличенного времени экспозиции t2, программа снимает фотографию пятна рассеяния и вводит ее в модуль выделения изо-фоты. Эта изофота является контуром фотометрического сечения, соответствующего новому уровню относительной освещенности

Еотн 2 = t1 / t2 .

Таким образом, E отн n = 1/ tomH 2 = tl/ tn, поэтому помещаем изофоту в систему координат на уровень E0THn и записываем его в память. В следующий цикл время экспозиция умножается на заданный коэффициент (например, 2), и получается второе сечение. Когда t превышает максимальное значение tmax, выполнение программы заканчивается, на мониторе получается график ФРТ.

Таким образом, в результате запоминания ряда фотометрических сечений и построения в пространственных координатах исходного взаимного расположения сечений формируется объемная ФРТ, т.е. функция распределения освещенности в изображении точечного источника, построенном исследуемой оптической системой.

Программа и результат

На рис. 4 показано главное окно программы «VideoProcess». С помощью ВЕБ-камеры Creative она позволяет определить ФРТ по методу изофотометрии с изменяющимся временем накопления, обработать результат измерения для получения всех качественных характеристик изображения исследуемого объектива. Программа состоит из 3 компонентов: «Видео», «Изофот» и «Анализ».

Компонент «Видео» предназначен для управления ВЕБ камерой и отображения видеосигнала на экране (рис. 4).

Компонент «Изофот» позволяет выполнить процесс сканирования функции рассеяния точки, т.е. последовательно увеличивать экспозицию камеры, снимать изображения пятна рассеяния, даваемого исследуемым объективом, выделять изофоты и строить пространственный график ФРТ. В результате процесса сканирования получаются изофотограмма и модель ФРТ (рис. 5). Значения ФРТ содержатся в двухмерном массиве. На окне «Изофот» можно корректировать начало координат изофотограммы и вводить увеличение микрообъектива, что предназначено для определения реальных размеров ФРТ.

Компонент «Анализ» позволяет получить двухмерный массив ФРТ и вычислить качественные характеристики исследуемого объектива: модуляционную передаточную функцию (МПФ), функцию концентрации энергии (ФКЭ), функцию рассеяния линии (ФРЛ), пограничную кривую и функцию рассеяния точки.

Рис. 4. Главное окно программы

Рис. 5. Окно компонента «Изофот»

Для иллюстрации всех этапов работы программы исследуемым объективом служил фотообъектив Гелиос-44. На рис. 5 показаны изофотограмма и объемный график ФРТ, полученные после процесса сканирования. На рис. 6 показан график ФРТ. На рис. 7 показаны результаты обработки измеренных данных ФРТ.

ч

функция рассеяния точки

:

------ ----- -----Г----- ----- ------

/X

........... III I I <тц / I I I I III III I I \ III III III 1 1 1 1 || 1 1 1

-0.035 -0.03 -0.025 -0.02 -0,015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

Рис. 6. Окно компонента «Анализ»

Модуляционная передаточная функция

О 20 40 60 00 1 00 120 НО-160 100 200 220240 260

Функция концентрации энергий

Функция рассеянии линии

Пограничная кривя

Рис. 7. Результаты обработки данных

Заключение

Для устранения недостатков традиционных методов прямого определения ФРТ, основанных на сканировании, и модернизации разработанных изофотометрических методов экспериментального исследования характеристик качества изображения оптических систем эти методы развиты в работе в направлении их компьютеризации.

Выполнена разработка алгоритмического и программного обеспечения для установки контроля качества изображения объектива.

Литература

1. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.

2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987.

3. Еськова Л.М., Гаврилин Д.В. Компьютерные методы контроля оптики. Учебно-методическое пособие к лабораторному практикуму. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004.

4. Оптический производственный контроль. / Под ред. Д. Малакары. М.: Машиностроение, 1985.

5. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, 1984.