СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЕДЕЛА РАЗРЕШЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ И ШТРИХОВАЯ МИРА Российский патент 2003 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для испытаний информационно-измерительной оптико-электронной системы (ИИ ОЭС) как в целом, так и отдельно ее компонентов, в частности объектива и многоэлементного фотоприемника с блоком электроники.

Известен способ измерения предела разрешения, в частности, телескопических систем оптических приборов, основанный на формировании изображения штриховой миры, выделении в изображении штриховой миры такого элемента, в котором можно легко различить направление штрихов всех четырех групп, и определении предела разрешения как наименьшего углового расстояния между серединами двух соседних штрихов штриховой миры (ГОСТ 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ измерения предела разрешения, в частности, электронно-оптических преобразователей, основанный на формировании изображения штриховой миры, выделении части штриховой миры с наибольшим порядковым номером, изображение штрихов которого во всех четырех направлениях еще видны раздельно, и определении предела разрешения как наибольшего числа штрихов в одном миллиметре изображения штриховой миры, которые еще видны раздельно по четырем направлениям, при этом выделяют группы штрихов с одинаковым коэффициентом заполнения, равным 0,5 (ГОСТ 21815.9-86. Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения рабочего разрешения).

Недостатком приведенных способов является низкая точность измерения предела разрешения при увеличении значения коэффициента заполнения штрихов миры вследствие того, что увеличение коэффициента заполнения означает увеличение размеров штрихов при постоянном расстоянии между центрами штрихов и, следовательно, приводит к уменьшению размера промежутка между ними, а значит и уменьшению яркостного провала между штрихами. Уменьшение яркостного провала затрудняет визуальное определение направлений штрихов, снижая точность измерения.

Кроме того, в данных способах измерения предела разрешения применяют визуальную оценку качества изображения штрихов штриховой миры, что снижает точность измерения за счет присутствия субъективного фактора, который значительно может меняться от наблюдателя к наблюдателю при стандартизованной процедуре испытаний.

Известна штриховая мира, содержащая элементы, каждый из которых составлен из трех штрихов равной ширины, при этом расстояние между штрихами равно ширине штриха и с изменением размеров штрихов от элемента к элементу меняется частота штрихов, но коэффициент заполнения остается постоянным и равным 0,5 (Проектирование оптических систем: пер. с англ. /Под ред. Р. Шеннона, Дж. Вайнта. - М.: Мир, 1983, с.253 и 254).

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является штриховая мира, содержащая элементы, состоящие из групп штрихов, частота которых одинакова в элементе и увеличивается с возрастанием номера элемента. Ширина штрихов убывает с возрастанием номера элемента в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94. При этом каждый из элементов составлен из четырех групп штрихов, расположенных под разными углами относительно друг друга и имеющих постоянный коэффициент заполнения, равный 0,5 (ГОСТ 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения).

Недостатком данных штриховых мир является низкая точность измерения предела разрешения, обусловленная тем, что группы штрихов в элементах штриховой миры выполнены с постоянным коэффициентом заполнения, равным 0,5.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения точности измерения предела разрешения за счет одновременного использования групп штрихов в одном элементе с различными коэффициентами заполнения.

Для достижения такого технического результата в предлагаемом способе, основанном на формировании изображения штриховой миры, выделении части штриховой миры и определении предела разрешения, формирование изображения штриховой миры, каждый элемент которой содержит три группы парных штрихов с коэффициентами заполнения от минимального до максимального, осуществляют на экране монитора компьютера, выделяют диапазон элементов штриховой миры с разрешенными и неразрешенными группами штрихов, выбирают группы штрихов с одинаковыми коэффициентами заполнения, производят их низкочастотную пространственную фильтрацию с дальнейшим установлением зависимости распределения освещенности в изображениях выбранных групп штрихов, по полученным зависимостям находят n-ый элемент штриховой миры, во всех группах которого отсутствуют яркостные провалы, затем устанавливают в (n-1)-ом элементе штриховой миры размер штриха, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения, и определяют предел разрешения по формуле
N=K_max/а,
где К_max - максимальный коэффициент заполнения;
а - размер штриха в (n-1)-ом элементе, расположенного в групп штрихов с максимальным коэффициентом заполнения.

Для достижения названного технического результата предлагается штриховая мира, которая содержит элементы, состоящие из групп штрихов с одинаковой частотой в элементе и увеличивающейся с возрастанием номера элемента. Ширина штрихов при этом убывает с возрастанием номера элемента в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94. Каждый элемент составлен из трех групп парных штрихов, в первой группе которых коэффициент заполнения равен 0,8 и размер штриха а₁ задан произвольно, во второй - коэффициент заполнения равен 0,6 и размер штриха определяется из соотношения
a₂=0,6712a₁,
где а₁ - размер штриха в первой группе парных штрихов элемента;
в третьей группе - коэффициент заполнения равен 0,5 и размер штриха определяется из следующего соотношения
a₃=0,5421 a₁.

Расчетные коэффициенты, равные 0,6712 и 0,5421, являются оптимальными для создания условия одновременного исчезновения яркостных провалов у трех групп штрихов, расположенных в одном из элементов.

Предлагаемая штриховая мира позволяет фиксировать одновременное исчезновение яркостных провалов в одном элементе у трех групп штрихов с различными коэффициентами заполнения, что повышает точность и достоверность определения предела разрешения ИИ ОЭС.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема устройства измерения предела разрешения, предназначенного для осуществления предлагаемого способа;
на фиг.2 - штриховая мира, общий вид;
на фиг.3 - штриховая мира с выделенными элементами, общий вид;
на фиг. 4 - графики зависимости распределения освещенности от частоты штрихов в изображениях групп штрихов с различными коэффициентами заполнения;
на фиг.5 - элемент штриховой миры (фрагмент).

Кроме этого, на фиг.2, 3, 4, 5 дополнительно изображено следующее:
- К - коэффициенты заполнения;
- Цифры от 1 до 5 - элементы штриховой миры;
- Цифры 0,95±0,00; 0,88±0,02; 0,81±0,01 - значения яркостных провалов в трех группах одного элемента;
- А - расстояние между центами двух парных штрихов;
- а₁; a₂; a₃ - размеры штрихов в первой, во второй и третьей группах первого элемента штриховой миры.

Устройство для измерения предела разрешения (фиг.1) снабжено штриховой мирой 1, оптически связанной с ИИ ОЭС 2, например, посредством объектива телевизионной камеры и персональным компьютером, состоящим, в частности, из системного блока 3 и монитора 4.

Способ измерения предела разрешения ИИ ОЭС осуществляют следующим образом.

Световой поток от источника света (не показан), проходя через штриховую миру 1 или отражаясь от нее, посредством исследуемой оптико-электронной системы 2 (ИИ ОЭС) преобразуется в электрический сигнал, который подают на системный блок 3. При этом формирование изображения штриховой миры 1, каждый элемент которой содержит три группы парных штрихов с коэффициентами заполнения от минимального до максимального, осуществляют на экране монитора компьютера 4 (фиг.2). Наблюдая полученное изображение штриховой миры 1, визуально определяют диапазон элементов с полностью разрешенными и полностью неразрешенными группами штрихов. Посредством программного обеспечения выбирают группы штрихов с одинаковыми коэффициентами заполнения, расположенных в различных элементах, и производят их низкочастотную пространственную фильтрацию для уменьшения шумов и, следовательно, повышения точности определения величины яркостных провалов. Выделенные группы штрихов показаны на фиг.3. В дальнейшем устанавливают зависимость распределения освещенности в изображениях выбранных групп штрихов от частоты штрихов. Осуществляют построение графиков данных зависимостей, по которым находят n-ый элемент штриховой миры 1, во всех группах которого отсутствуют яркостные провалы (фиг 4). В рассматриваемом случае это 5-ый элемент штриховой миры 1 (фиг.2). Затем в (n-1)-ом элементе штриховой миры 1 фиксируют размер штриха, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения, и определяют предел разрешения по формуле
N=К_mах/а=0,8/а.

Ниже приведен пример использования миры для измерения предела разрешения ИИ ОЭС.

На экране монитора 4 по схеме, изображенной на фиг.1, формируют изображение миры 1 (фиг.2). Изображение штриховой миры имеет 5 элементов, расположенных вертикально, с тремя группами парных штрихов. Частота штрихов возрастает с увеличением номера элемента. При этом верхние штрихи во всех пяти элементах имеют одинаковый коэффициент заполнения, равный К=0,8; средние штрихи - коэффициент заполнения К=0,6; нижние штрихи - К=0,5.

На полученном изображении визуально выделяют диапазон элементов штриховой миры с полностью разрешенными и неразрешенными группами штрихов. На фиг. 2 элемент 3 содержит полностью разрешенные штрихи, поскольку в штрихах наблюдаются яркостные провалы, а элемент 5 - полностью неразрешенные штрихи. В элементе 4 визуально очень сложно определить все ли группы штрихов имеют разрешение.

С помощью программного обеспечения выбирают в элементах 3, 4, 5 группы штрихов с коэффициентом заполнения равным 0,8, затем группы штрихов с коэффициентом заполнения, равным 0,6, и группы штрихов с коэффициентом заполнения, равным 0,5. В автоматическом режиме производят низкочастотную пространственную фильтрацию изображений каждой из этих групп штрихов с дальнейшим установлением зависимости распределения освещенности в изображениях выбранных групп штрихов. По полученным зависимостям (фиг.4) находят элемент штриховой миры, во всех группах которого отсутствуют яркостные провалы. В частности таким элементом является 5-й. Затем устанавливают в 4-м элементе штриховой миры размер штриха, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения, равном 0,8, и определяют предел разрешения по формуле
N=K_max/a=0,8/2,05=0,39.

Таким образом, в способе измерения предела разрешения ИИ ОЭС с использованием предлагаемой штриховой миры применен эффект одновременного исчезновения провалов у нескольких парных штрихов, имеющих разные размеры штрихов и разные расстояния между центрами этих штрихов. Этот вывод следует из известного физического определения количества штрихов, приходящихся на один миллиметр (ГОСТ 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения):
N=1/A (1)
где А - расстояние между центрами двух штрихов, мм.

Это соотношение не изменится, если записать его как
N=a/a A, (2),
где а - размер штриха, мм.

В общем случае размер штриха не равен размеру промежутка между штрихами.

Если выделить из соотношения (2) коэффициент заполнения К=а/А, то предел разрешения как частота штрихов N будет определен
N = K/a. (3)
Следовательно, предел разрешения ИИ ОЭС как частоту штрихов N можно определить с помощью бесконечного множества размеров штрихов с разными коэффициентами заполнения
N = K₁ / a₁₁ = K₂ / a₁₂ = ... = K_n/a_1n. (4)
В предлагаемом изобретении на основе теоретических расчетов и экспериментов выбраны три значения коэффициента заполнения, равных 0,8; 0,6; 0,5.

Группы штрихов с этими значениями коэффициента заполнения образуют один элемент миры. Отличаясь друг от друга по коэффициенту заполнения, группы штрихов в одном элементе согласно уравнению (4) имеют практически одинаковую частоту.

Предлагаемая штриховая мира содержит элементы, обозначенные цифрами 1, 2, 3, 4, 5 на фиг.3. Каждый элемент составлен из трех групп парных штрихов. В первой группе первого элемента коэффициент заполнения равен 0,8 и размер штриха а₁₁ задан произвольно, в частности, исходя из линейного увеличения объектива информационно-измерительной оптико-электронной системы, во второй группе первого элемента коэффициент заполнения равен 0,6 и размер штриха а₁₂ определяется из соотношения a₁₂= 0,6712 a₁₂, в третьей группе первого элемента коэффициент заполнения равен 0,5 и размер штриха а₁₃ определяется из соотношения а₁₃=0,5421а₁₁.

Штриховая мира работает следующим образом. Свет, излучаемый источником света (на фиг.1 не показан), проходит через штриховую миру 1 или отражается от нее.

Информационно-измерительная оптико-электронная система преобразует световой поток в электрический сигнал. Системный блок 3 и монитор 4 формируют изображение штриховой миры на экране монитора компьютера.

Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют повысить точность и достоверность предела разрешения.

Способ измерения предела разрешения информационно-измерительной оптико-электронной системы основан на формировании изображения штриховой миры, выделении части штриховой миры и определении предела разрешения. Формирование изображения штриховой миры осуществляют на экране монитора компьютера, выделяют диапазон элементов штриховой миры с разрешенными и неразрешенными группами штрихов, выбирают группы штрихов с одинаковыми коэффициентами заполнения, производят их низкочастотную пространственную фильтрацию с дальнейшим установлением зависимости распределения освещенности от частоты штрихов в изображениях выбранных групп штрихов, по полученным зависимостям находят n-ый элемент штриховой миры, во всех группах которого отсутствуют яркостные провалы, затем устанавливают в (n-1)-ом элементе штриховой миры размер штриха, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения, и далее определяют предел разрешения. Штриховая мира содержит элементы, состоящие из групп штрихов, частота которых одинакова в элементе и увеличивается с возрастанием номера элемента, а ширина штрихов убывает с возрастанием номера элемента в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94. Каждый элемент составлен из трех групп парных штрихов, в первой группе которых коэффициент заполнения равен 0,8 и размер штриха задан произвольно, во второй коэффициент заполнения равен 0,6. Технический результат - повышение точности измерения предела измерения. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения предела разрешения информационно-измерительной оптико-электронной системы, основанный на формировании изображения штриховой миры, выделении части штриховой миры и определении предела разрешения, отличающийся тем, что формирование изображения штриховой миры, каждый элемент которой содержит три группы парных штрихов с коэффициентами заполнения от минимального до максимального, осуществляют на экране монитора компьютера, выделяют диапазон элементов штриховой миры с разрешенными и неразрешенными группами штрихов, выбирают группы штрихов с одинаковыми коэффициентами заполнения, производят их низкочастотную пространственную фильтрацию с дальнейшим установлением зависимости распределения освещенности в изображениях выбранных групп штрихов, по полученным зависимостям находят n-й элемент штриховой миры, во всех группах которого отсутствуют яркостные провалы, затем устанавливают в (n-1)-ом элементе штриховой миры размер штриха, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения, и определяют предел разрешения по формуле
N= K_max/a,
где К_max - максимальный коэффициент заполнения;
а - размер штриха в (n-1)-ом элементе, расположенного в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения. 2. Штриховая мира, содержащая элементы, состоящие из групп штрихов, частота которых одинакова в элементе и увеличивается с возрастанием номера элемента, а ширина штрихов убывает с возрастанием номера элемента в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94, отличающаяся тем, что каждый элемент составлен из трех групп парных штрихов, в первой группе которых коэффициент заполнения равен 0,8 и размер штриха задан произвольно, во второй коэффициент заполнения равен 0,6 и размер штриха определяется из соотношения
а₂= 0,6712а₁,
где a₁ - размер штриха в первой группе парных штрихов элемента;
в третьей группе коэффициент заполнения равен 0,5 и размер штриха определяется из следующего соотношения
а₃= 0,5421а₁.