Разработка алгоритма и программы для расширения возможностей аппаратуры оценки качества изображения оптических систем

2

ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АППАРАТУРЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Ле Зуй Туан

Научный руководитель - д.т.н., профессор В.К. Кирилловский

Для устранения недостатков метода прямого определения ФРТ, основанного на применение ПЗС-камеры, разработаны компьютерные изофотометрические методы экспериментального анализа пятна рассеяния, сформированного при работе изготовленной оптической системы. Эти методы позволяют повысить диапазон регистрации освещенности камеры до 103-104 при устранении погрешностей от нелинейности световой характеристики ПЗС-матрицы.

Введение

Развитие оптико-электронных приборов и комплексов, например, приборов ночного видения, тепловизионных систем, цифровых камер, медицинских приборов, сопровождается применением высококачественных оптических систем. Для получения требуемого качества необходимо измерять основные параметры, характеризующие качество изготовленных оптических систем, с минимальной погрешностью.

Наиболее полной оценкой качества изображения, создаваемого объективом, является распределение освещенности в плоскости изображения точки и в близких к этой плоскости сечениях светового пучка, т.е. определении 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. Все перечисленные факторы свидетельствуют в пользу методов анализа ФРТ при их цифровой обработке. Эти функции несут информацию сразу обо всех пространственных частотах и могут быть получены за один прием, что существенно сокращает время измерений.

В настоящее время в области оптических измерений широко используют ПЗС-камеры в качество приемника. С помощью ПЗС-камеры, установленной в фокальную плоскость исследуемого объектива, пятно рассеяния этого объектива сразу регистрируется в виде цифровой картины, представленной значения ФРТ. Однако ПЗС представляет собой матрицы потенциальных ям, каждая из них работает как отдельный фотоприемник, поэтому напряжения видеосигнала зависит от формы световой характеристики фотоприемника. За пределами этого линейного участка напряжение сигнала не пропорционально уровню освещенности, причем отклонение от пропорциональности изменяется по нелинейному закону. В табл. 1 видно, что фотометрическая структура пятна, которое дает ПЗС-камера, искажается и сильно отличается от дифракционной теории. Кроме того, на картине появляется только первое кольцо, второе, соответствующее уровня относительной освещенности 0,0045, не зарегистрировано, т.е. диапазон регистрации освещенности камеры составляет не более чем 200 раз.

Способ повышения возможности ПЗС-камеры

Для расширения диапазона регистрируемых освещенностей и устранения нелинейной световой характеристики ПЗС-матрицы было разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое основано на регистрации серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции на одном и тоже фотоприемнике, т.е. получении совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности. Из каждого фотометрического сечения формируется фигура с четким контуром, которая называется изофотой. Из системы изофот можно получить карту распределения освещенности в пятне рассеяния (рис. 1). Такой метод назван методом изофотометрии с изменяющимся временем накопления [5]. Диапазон регистрации освещенности по данному методу не зависит от протяженности рабочего участка световой характеристики фотоприемника, а зависит от диапазона изменения времени накопления, который свыше 103. В экспериментальной установке была использована матричная видеокамера VAC-135 с диапазоном относительного времени накопления составляет свыше трех порядков (1 + 2047). При этом распределение света регистрируется с диапазоном выше 10 раз по сравнению с возможностью камеры.

lgE

E = 1

0,5 0,25 0,125

t = 1

сечения

D„

изофоты

Рис. 1. Схема метода изофотометрии с переменным временем накопления

и вид изофотограммы

На рис. 2 изображена принципиальная схема устройства. Установка содержит осветительную систему, в которую входят лазер 1, двухлинзовый объектив осветительной системы 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-камеры). Камера превращает изображения пятна рассеяния в видеосигнал и посылает в компьютер через порт USB. При помощи разработанной программы "Videoprocess" можно наблюдать пятно рассеяния на мониторе и выполнять съемку последовательных фотокадров в цифровом виде. Полученные цифровые изображения вводят в модуль выделения изофот.

Таблица 1. Дифракционная картина на отверстие диаметром б = 0.2 мм, зарегистрирована на расстояние I = 230 мм по разным методам

Пятно, рассчитанное по дифракционной теории

Пятно, которое дает камера БУС-135

Пятно, полученное по методу изофотометрия

Рис. 2. Схема установки для измерения ФРТ фотообъектива по методу изофотометрии с изменяющимся временем накопления при помощи камеры: 1 - лазер;

2 - фотометрический клин; 3 - система для фокусировки лазерного пучка; 4 - точечная диафрагма;

5 - объектив коллиматора; 6 - исследуемый объектив; 7 - изображение точечного тест-объекта (пятно рассеяния); 8 - проекционный микро-объектив;

9 - видеокамера (приемник изображения); 10 - компьютер

На рис. 3 показано алгоритмическое решение компьютерной версии изофотометрии с переменным накоплением. В исходном состоянии параметр «exposure» камеры установлен на минимальное значение tj, 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 Еотн\, которое принимаем равным единице.

В процессе измерения, после установки увеличенного времени экспозиции t2 = к  t1, программа выполняет регистрацию фотографии пятна рассеяния и вводит ее в модуль выделения изофоты. Эта изофота является контуром фотометрического сечения, соответствующего новому уровню относительной освещенности Еотн2 = t1/12.

Таким образом, Еотн n = 1 / tomH n = t1 / tn, поэтому помещаем изофоту в систему координат на уровень Еотнn и записываем его в память. Когда t превышает максимальное значение tmax, работа

программы заканчивается, и на мониторе получается графическое отображение ФРТ.

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

Программа и результат

На основе созданного алгоритма разработано программное обеспечение «КИЗО». Таким образом, можно констатировать создание нового метода - компьютерной изофотометрии с изменяющимся временем накопления. С помощью матричной камеры БУС-135 и с применением созданного программного обеспечения метод позволяет определить ФРТ в диапазоне изменения освещенности свыше 103 и обработать результаты измерения для получения основных количественных и качественных характеристик изображения исследуемого объектива.

Рис. 3. Алгоритмическое решение компьютерной версии изофотометрии

с переменным накоплением

Для экспериментальной иллюстрации всех этапов работы программы склеенная линза служила исследуемым объективом. Ее структурные параметры представлены в табл. 1. На рис. 4 показаны графики ФРТ и ЧКХ, полученные путем расчетов и экспериментов по методу изофотометрии.

Параметры Материал

г а осв Стекло

128,680 10.00 50 К8

-90,860 4.00 50 ТФ1

-275,720 50

Таблица 2: г- радиусы кривизны поверхностей, б - расстояние между двумя последующими поверхностями, йсв- световой диаметр поверхности

Рис. 4. ФРТ иМПФ склеенного объектива для осевого пучка: а) теоретические результаты; б) экспериментальные результаты по методу изофотометрии

На рис. 4 видно, что теоретическая и экспериментальная МПФ хорошо сходятся. Различие между ними можно объяснить следующим:

• имеются погрешности изготовления оптических поверхностей линз;

• положение плоскости приемника не совпадает с плоскостью, в котором рассчитана МПФ по теории;

• в аппаратуре контроля присутствуют остаточные блики и рассеянный свет.

Заключение

Для устранения недостатков традиционных методов прямого определения ФРТ, основанных на сканировании, и модернизации разработанных изофотометрических методов экспериментального широкодиапазонного исследования характеристик качества изображения оптических систем осуществлена настоящая работа, посвященная развитию данных методов на основе их компьютеризации.

Благодаря разработке алгоритмического и программного обеспечения для установок контроля качества изображения создан новый метод компьютерной изофотометрии с изменяющимся временем накопления световой энергии. Метод позволяет на новом, современном уровне реализовать уникальные возможности изофотометрии с изменяющимся временем накопления, объединяя достоинства широкодиапазонного анализа структуры изображения тест-объекта, высокой скорости и широкого объема компьютерной обработки экспериментальных данных. Создана возможность оперативного определения полного набора характеристик качества изображения, таких как широкодиапазонный двухмерный массив значений ФРТ, модуляционная передаточная функция, функция концентрации энергии, функция рассеяния линии и пограничная кривая.

Литература

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