МИРА Российский патент 2004 года по МПК G01C11/02 G01C11/00 

Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для оценки качества изображения в оптических и оптико-электронных приборах (ОЭП), включающих многоэлементные фотоприемники.

Оценка качества изображения в ОЭП осуществляется с помощью миры по разрешающей способности, которая определяет такую наивысшую пространственную частоту, когда еще легко наблюдается промежуток между штрихами, по частотно-контрастной характеристике, которая определяет контраст в изображении штрихов на определенной пространственной частоте, и по фазово-частотной характеристике, которая определяет частоту нулевого контраста, когда штрихи и промежуток сливаются и становятся неразличимыми, и диапазон частот пространственного сдвига штрихов относительно друг друга в изображении ОЭП (см. Кулагин С.В., Апарин Е.М. Проектирование фото- и киноприборов. - М.: Машиностроение, 1986, с. 49-50).

Известна радиальная мира, содержащая секторы с непрерывно изменяющейся пространственной частотой (см. Афанасьев В.А. Оптические измерения: Учебник для вузов. - 3-е изд.. перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981, с. 205-206).

Недостатком описанной радиальной миры является низкое качество оценки изображения ОЭП вследствие невысокой точности измерения фазово-частотной характеристики из-за ее искажения, обусловленного необходимостью дефокусировки изображения миры за счет непрерывного и быстрого изменения пространственной частоты по радиусу от периферии к центру радиальной миры.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является мира, содержащая элементы, составленные из групп параллельных штрихов с шириной штриха, убывающей по закону геометрической прогрессии со знаменателем 0,94 (см. ГОСТ 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения. - с. 5-6 ).

Недостатком описанной миры является низкое качество оценки изображения ОЭП вследствие невозможности использования для оценки фазово-частотной характеристики.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения качества оценки изображения в ОЭП путем измерения фазово-частотной характеристики.

Для достижения указанного технического результата мира содержит элементы из групп параллельных штрихов с шириной штриха, убывающей в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94, причем каждый элемент составлен из шести групп парных штрихов, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии, с шириной штриха, убывающей от нижней к верхней группе штрихов, при этом ширина штрихов первого элемента задается по математическому выражению:

где a₁₁ - ширина штриха в первой группе;

a₁₂ - ширина штриха во второй группе;

a₁₃ - ширина штриха в третьей группе;

a₁₄ - ширина штриха в четвертой группе;

a₁₅ - ширина штриха в пятой группе;

a₁₆ - ширина штриха в шестой группе,

причем ширина штриха а₁₆ определяется произвольно.

Признаки, характеризующие то, что каждый элемент составлен из шести групп парных штрихов, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии, с шириной штриха, убывающей от нижней к верхней группе штрихов и ширина штрихов первого элемента задается по математическому выражению:

a₁₁=10a₁₆; a₁₂=8a₁₆; a₁₃=6a₁₆; a₁₄=4a₁₆; a₁₅=2a₁₆; a₁₆;

а ширина штриха а₁₆ определяется произвольно, обусловливают возможность измерения фазово-частотной характеристики, в частности пространственной частоты нулевого контраста в изображении ОЭП и диапазона частот пространственного сдвига штрихов относительно друг друга.

Составление каждого элемента из шести групп штрихов является оптимальным, так как меньшее количество групп штрихов не обеспечивает полную оценку качества изображения, а большее их количество не целесообразно ввиду невозможности получения дополнительной информации о качестве изображения.

Ширина штриха в шестой группе первого элемента задается произвольно, исходя из условия полученного экспериментально, что ширина изображения штриха в плоскости многоэлементного фотоприемника должна быть не менее удвоенного размера фоточувствительного элемента, т.е.

где p - размер фоточувствительного элемента, мм; β - линейное увеличение оптической системы.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - мира, общий вид;

па фиг.2 - схема измерения характеристик изображения с помощью предлагаемой миры;

на фиг.3 - изображение одного элемента миры, повернутое на 90° относительно исходного положения, общий вид;

на фиг.4 - график зависимости коэффициента передачи контраста от пространственной частоты для одного элемента предлагаемой миры. Кроме этого, на фиг.1 обозначены:

цифрами от 1 до N по горизонтали элементы миры;

цифрами от 1 до 6 по вертикали группы штрихов в элементе;

Н - длина штриха, мм;

L - расстояние между центрами парных штрихов в группе, мм:

a₁₁ - ширина штриха первой группы первого элемента, мм;

a₂₁ - ширина штриха первой группы второго элемента, мм;

a_N6 - ширина штриха 6-ой группы N-го элемента, мм;

b - расстояние между группами штрихов, мм.

Мира (фиг.1) содержит элементы от 1 до N, каждый из которых составлен из групп парных штрихов, обозначенных цифрами от 1 до 6. Количество элементов в мире определяется, исходя из определенного экспериментально условия. Ширина изображения штриха в шестой группе N-го элемента a_N6 в плоскости многоэлементного фотоприемника не должна превышать половину размера фоточувствительного элемента, т.е.

где p - размер фоточувствительного элемента, мм; β - линейное увеличение оптической системы.

Каждый элемент составлен из шести групп параллельных парных штрихов. Группы в каждом элементе расположены одна над другой и имеют общую ось симметрии (на фиг.1 она показана в первом элементе). Ширина штрихов первого элемента задается по математическому выражению (1). Причем ширина штриха в шестой группе первого элемента задается произвольно, исходя из условия (2).

В каждом следующем элементе ширина штриха группы, например, а₂₁ убывает относительно ширины штриха аналогичной группы а₁₁ предыдущего элемента в геометрической прогрессии со знаменателем 0,94 (фиг.1).

Длина штриха (Н) в каждой группе любого элемента одинакова и вычисляется из соотношения (ГОСТ 21815.0-86. Преобразователи электронно-оптические. Общие требования при измерении энергетических и оптических параметров. с. 7):

Расстояние между группами штрихов (b) определяется из соотношения:

Данное расстояние обеспечивает четкие границы между штрихами даже при значительном пространственном шуме.

Предлагаемая мира работает следующим образом.

Мира 1 (фиг.2), расположенная в плоскости х, у, освещается источниками света 2, 3, например, с молочными стеклами для равномерного рассеяния светового потока по мире 1. При этом основание миры 1 устанавливается горизонтально, а ось симметрии - вертикально. Цифровой сигнал изображения миры 1 с выхода испытуемого ОЭП 4 подается на системный блок компьютера (на чертеже не показан), заносится в его память и анализируется. При этом изображение миры 1 поворачивается на 90° относительно исходного положения (фиг.3, показан один из элементов миры). Поворот осуществляется для того, чтобы программно выделить ось симметрии каждого элемента миры 1, по которой снимается изменение сигнала и строятся графики зависимости коэффициента передачи контраста от пространственной частоты (фиг.4, показан график зависимости для одного элемента). Данные графики строятся для всех элементов миры. Последовательно рассматривая графики зависимости коэффициента передачи контраста в элементах миры, фиксируют такой элемент, в котором сигнал в шестой группе превышает сигнал в четвертой группе. На фиг.3 изображен такой элемент, а на фиг.4 - график зависимости передачи контраста. Данный график позволяет оценить качество изображения ОЭП по передаче пространственных частот предлагаемой миры.

Пространственная частота N_п как количество штрихов, приходящихся на 1 мм, вычисляется но формуле (см. ГОСТ 15114-78. Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения. С. 6, п.5):

где L - расстояние между центрами парных штрихов в группе, мм.

Эта формула не изменит своего значения, если в числитель и знаменатель ввести ширину штриха а:

Коэффициент заполнения К (см. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-злектронных приборов: Учебник для студентов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 1999, с. 239) определяется по формуле:

Следовательно, пространственная частота равна

Для оценки качества изображения ОЭП целесообразно использовать группы штрихов с более высоким коэффициентом заполнения, чем стандартные миры. Коэффициент заполнения стандартных мир равен 0,5, поскольку ширина штриха и промежутка между штрихами в любой группе одинаковы. В предлагаемой мире коэффициент заполнения равен 0,8, что обеспечивает высокую чувствительность к изменению коэффициента передачи контраста, а значит, повышение точности оценки качества изображения ОЭП.

Пространственная частота первого нулевого контраста N_п1 в изображении выбранного элемента миры 1 (фиг 3) соответствует частоте штрихов, обозначенных номером 4. В этой группе наблюдается слияние штрихов и промежутка между ними. Следовательно,

где a₄ - ширина штриха в четвертой группе, мм.

Эта же частота является частотой пространственного фазового скачка. Пространственной частоте второго нулевого контраста N_п2 соответствует частота штрихов группы под номером 6:

где a₆ - ширина штриха в шестой группе, мм.

Между пространственными частотами первого и второго нулевых контрастов находится диапазон ложного разрешения ΔN (или диапазон пространственного фазового сдвига штрихов относительно друг друга), который определяется как

В группе штрихов под номером 5, принадлежащей диапазону ложного разрешения, наблюдается преобразование светлого промежутка в темный.

Предел разрешения ОЭП определяется наивысшей пространственной частотой или наибольшим числом штрихов в одном миллиметре изображения миры, которые еще видны раздельно (см. ГОСТ 21815.8-86. Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения предела разрешения. Пункт 1.1). В данном случае полностью разрешенными штрихами являются штрихи группы под номером 3, так как между ними явно присутствует светлый промежуток (фиг.3). Предел разрешения равен:

где a₃ - ширина штриха в группе под номером 3, мм.

Кроме того, график зависимости коэффициента передачи контраста от пространственной частоты (фиг.4) обеспечивает измерение частотно-контрастной характеристики, как изменение коэффициента передачи контраста на определенных пространственных частотах. Частотно-контрастная характеристика определяется первой, второй, третьей и четвертой группами штрихов. Ось у соответствует дискретным пространственным частотам этих групп, а ось f(x) - коэффициенту передачи контраста соответствующей пространственной частоты.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение качества оценки изображения ОЭП путем измерения одновременно характеристик: предела разрешения, частотно-контрастной характеристики и фазово-частотной характеристики.

Мира содержит элементы из групп параллельных штрихов с шириной штриха, убывающей в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94. Каждый элемент составлен из шести групп парных штрихов, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии, с шириной штриха, убывающей от нижней к верхней группе штрихов, при этом ширина штрихов задается в первом элементе по математическому выражению. Технический результат - повышение качества оценки изображения ОЭП. 4 ил.

Мира, содержащая элементы из групп параллельных штрихов с шириной штриха, убывающей в геометрической прогрессии со знаменателем, равным 0,94, отличающаяся тем, что каждый элемент составлен из шести групп парных штрихов, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии, с шириной штриха, убывающей от нижней к верхней группе штрихов, при этом ширина штрихов первого элемента задается по математическому выражению

a₁₁=10a₁₆; a₁₂=8a₁₆; a₁₃=6a₁₆; a₁₄=4a₁₆; a₁₅=2a₁₆; a₁₆;

где a₁₁ - ширина штриха в первой группе;

a₁₂ - ширина штриха во второй группе;

a₁₃ - ширина штриха в третьей группе;

a₁₄ - ширина штриха в четвертой группе;

a₁₅ - ширина штриха в пятой группе;

a₁₆ - ширина штриха в шестой группе,

причем ширина штриха а₁₆ определяется произвольно.