Способ контроля качества оптических систем и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01M11/00 

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быт использовано на предприятиях оптико- механической промьпштенности для автоматизированного контроля качества и паспортизации оптических систем путем измерения функции передачи модуляции (ФПМ).

Целью изобретения является повышение информативности контроля за счет определения полихроматической функции передачи модуляции в широком диапазоне пространственных частот.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит источник 1 полихроматического излучения, светофильтр 2, конденсор 3, тест-объект 4, вращающийся дисковый модулятор 5, коллиматорный объектив 6, микрообъектив 7, линейный прибор 8 с переносом заряда, синхрогенератор 9/ блок 10 предварительной обработки, управляемый делитель 11 напряжения, фильтр 12 нижних частот, избирательный усилитель 13, схему 14 сравнения источники 15 опорного напряжения, блок 16 управления, регистрирующий прибор 17 и синхронный электродвигатель 18.

Источник 1 полихроматического излучения вьшолнен в виде лампы накаливания. Светофильтр 2 установлен за исто иком излучения по ходу луча и выполнен из цветного оптического стекла, при этом его спектральный .коэффициент пропускания рассчитывается согласно нижеприведенному, выражению. Тест-объект 4 выполнен в виде узкой щелевой диафрагмы и установлен в фокальной плоскости коллиматорного объектива 6. Дисковый модулятор 5 выполнен в виде радиального растра с прозрачными и непрозрачными участками, установлен на валу синхронного электродвигателя 18, вблизи тест- объекта 4. За коллиматорным объективом 6 установлен контролируемый объектив, за которым располагается микрообъектив 7. В плоскости изображени микрообъектива 7, оптически сопряженной с плоскостью тест-:объекта 4 и являющейся плоскостью анализа, установлен линейный прибор 8 с переносом заряда. При этом фоточуВствитель ная поверхность последнего расположе

0

5

на в плоскости анализа так, что направление движения зарядов перпендикулярно направлению располржения щелевой диафрагмы. Линейный прибор 8 с переносом заряда подключен к син- хрбгенератору 9 таким образом, что образование зарядов и их перемещение происходит одновременно и под одними и теми же электродами. Первый выход синхрогенератора 9 подключен к линейному прибору 8 с переносом заряда, а второй - к первому входу блока 10 предварительной обработки, второй вход которого соединен с выходом

5 линейного прибора 8 с переносом заряда. Первый дополнительный выход синхрогенератора 9 подключен к синхронному электродвигателю 18, а второй соединен с управляющим входом избирательного усилителя 13. Дополнительный вход синхрогенератора 9 подсоединен к выходу блока 16 управления. Синхрогенератор 9 снабжен управляемым делителем частоты тактовых импульсов, а также двумя делителями частоты с фиксированными коэффициентами деления. Выход блока 10 предварительной обработки подсоединен к информационному входу управляемого делителя 11

0 напряжения, цифровой вход которого подключен к выходу блока 16 управления, а аналоговый вход - к выходу с схемы 14 сравнения. Выход управляемого делителя 11 напряжения соединен

5 с входом фильтра 12 нижних частот, выход которого подключен к второму .входу схемы 14 сравнения. Первый вход схемы 14 сравнения подсоединен к выходу источника 15 опорного напряжения. Выход управляемого делителя 11 на пряжения соединен также с информационным входом избирательного усилителя 13, выход которого подсоединен к первому входу регистрирующего прибора 17, к второму входу которого подключен выход блока 16 управления.

0

5

При конкрентной реализации устройства в качестве источника излучения использована лампа накаливания типа ОП8-9, светофильтр изготовлен из цветного стекла по ГОСТ 9411-75, причем спектральный коэффициент пропускания светофильтра Cm подбирается с учетом соотношения

-..ч Фэи( Л)

М

Т - -ф()-с

(2)

де Ф, М

ФМ 5( Л)

оМ

относительная спектральная плотность эффективного потока при измерении;

спектральная плотность 5 потока источника света ; относительная спектральная чувствительность приемного анализатора спектральньй коэффициент Ю пропускания контролируемого объектива , длина волны.

В качестве дискового модулятора

использована радиальная мира, которая 15 имеет пространственное распределезакреплена на валу синхронного однофазного электродвигателя (тип Г-210). В устройстве применен микрообъектив с числовой апертурой, превышающей апертуру контролируемого объектива, и увеличением, которое обеспечивало бы такой размер изображения тест-объекта 4 в плоскости анализа, при котором значение максимальной анализируемой пространственной частоты не превыша- ет предел Найквиста для используемого линейного прибора с переносом заряда.

Использован линейный прибор с переносом заряда типа ФПЗС-1Л, который работал в режиме непрерывного считывания зарядов при -отсутствии дериода накопления, при этом значения скорости движения зарядового ре- льефа задавались с помощью синхро- генератора 9. Последний вьтолнен на интегральных микросхемах 561 серии и включает генератор, тактовой частоты управляемый делитель частоты и два , ,

,

делителя частоты с постоянными коэф- 0 ся интегрирующее считывание значений

фициентами деления.

Блок 10 предварительной обработки выполнен на базе интегральных микросхем 140УД8 и КР590КН5.

Блок 16 управления реализован на интегральных микросхемах 561 серии.

Управляемый делитель 11 частоты выполнен с применением мультиплексора КР591КН1 и операционного усилите- 50 связано с тем, что постоянная преоб- ля 140УД8, которые используются также при реализации избирательного усилителя 13.

Источник 15 опорного напряжения вьтолнен на базе прецизионного ста- 55 билитрона Д818Е. В качестве схемы сравнения применена схема на операразования К, определяемая как

К В(з1пЫ)1 , (3)

где В - яркость источника излучения; (Л - действующий задний аперт.ур- ный угол контролируемого объектива .

ционном усилителе 140УД8.

5Ю769404

Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

Источник 1 излучения, имеющий широкий спектральный диапазон, с помощью светофильтра 2 и конденсатора 3 освещает тест-объект 4. Коллиматорньш объектив 6, контролируемый объектив и микрообъектив 7 формируют изображение тест-объекта 4 на фоточувствительной поверхности линейного прибора 8 с переносом заряда. Изображение тест-объекта 4, который можно рассматривать как вторичный излучатель.

. и 20 а 25 ,

30

35

ние освещенности Е(х) вдоль направления движения фоточувствительной поверхности х в виде функции рассеяния линии Ад(х) контролируемого объектива. При отсутствии модуляции светового потока источника 1 излучения и постоянной скорости движения фоточувствительной поверхности (зарядового рельефа) линейного прибора 8 с переносом заряда амплитуда видеосигнала на выходе последнего будет постоянной U(t) const. При этом линейный прибор 8 с переносом заряда работает в режиме непрерывного считывания зарядов в отсутствии периода накопления. Тогда величина зарядового пакета по мере его продвижения по освещенному участку фоточувствительной поверхности приемного анализатора возрастает в каждой точке на величину,, пропорциональную значению освещенности в этой точке. С помощью такого режима работы линейного прибора 8 с переносом заряда производитосвещенности изображения вдоль направления движения зарядов. Амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна КИМ контролируемого объектива на ну- левой пространственной частоте . Однако амплитуда постоянной составляющей электрического сигнала даже при отсутствии модуляции освещенности изображения может изменяться. Это

связано с тем, что постоянная прео

разования К, определяемая как

К В(з1пЫ)1 , (3)

где В - яркость источника излучения; (Л - действующий задний аперт.ур- ный угол контролируемого объектива .

I - чувствительность линейного прибора с переносом .заряда, при заданных скорости движения фоточувствительной поверхности и спект- ральном составе излучения, от которой зависит постоянная составляющая сигнала, в свою очередь зависит от скорости Vj движения фоточувствительной поверхности.. Поэтому при осуще- ствлении синтеза заданных пространственных частот N;, путем дискретного изменения скорости V; происходит изменение амплитуды постоянной составляющей электрического сигнала.

При вращении дискового модулятора 5 с постоянной частотой п временная частота модуляции освещенности изображения

f n-m const, Q 2 Mf (4)

где m - число пар секторов дискового

модулятора , со - угловая скорость выражения

дискового модулятора. При движении фоточувствительной поверхности (зарядового рельефа) со скоростью V вдоль направления сканирования X пространственный период Р 1/Т анализируется за время . При этом Т представляет собой период изменения освещенности изображения во времени за счет модуляции. С другой стороны, пространственный период освещенности может быть определен как

Р T.V.

Тогда

N, -i-

1 со Vf 2Г V;

Отсюда

27N.

(5)

В случае, если модуляция освещенности изображения производится по Q синусоидальному закону, амплитуда выходного сигнала описывается выражением

+оо

U(t)U- cosQt A(x)cos---xdx (6)

55

Однако согласно споробу модуляцию освещенности производят по прямоугольсs

0

5

о

0

5

Q

5

ному (или близкому к нему) закону. Поэтому для получения выходного сигнала синусоидальной формы сигнал, полученный при такой модуляции, поступает в избирательный усилитель 14, настроенный на постоянную временную частоту и вьщеляющий первую гармонику периодического сигнала. Тогда на выходе избирательного усилителя 13 амплитуда гармоники с точностью до постоянного множителя равна значению модуля оптической передаточной функции ФПМ на пространственной частоте N , определяемой соответствующим значением скорости V;, а сигнала описывается выражением (6), что полностью соответствует математическому вьфаже- нию для ФПМ.

Для реализации способа скорость вращения синхронного электродвигателя 18 должна поддерживаться постоянной, при этом временная частота моду- ляйии освещенности также будет постоянной. Однако может быть нестабильной частота тактовых импульсов син- хрогенератора 9, которая задает скорость непрерывного сканирования V; линейного прибора с переносом заряда. При этом пространственная частота N; не будет соответствовать заданному значению. Чтобы этого не произошло, в синхрогенераторе 9 предусмотрен дополнительный делитель частоты, выход которого соединен с электродвигателем 18о Это позволяет управлять скоростью вращения синхронного электродвигателя 18 при непредвиденных изменениях частоты синхрогенератора 9 и тем самым исключить погрешности при синтезе пространственных частот N, .

Таким образом, на выходе линейного прибора 8 с переносом заряда получен переменный электрический сигнал, амплитуда первой гармоники которого адекватна КЕМ контролируемой оптической системы на заданной пространственной частоте N;. Полученный сигнал поступает в блок 10 предварительной обработки, который осуществляет его предварительное усиление и двойную коррелированную выборку. С выхода блока 10 предварительной обработки сигнал поступает на информационный вход управляемого делителя 11 напряжения. Управление работой устройства осуществляет блок 15 управления, которьй в цифровых кодах задает требуемые значения скорости движения фоточувствительной поверхности путем изменения коэффициента деления управляемого делителя частоты синхрогене- ратора 9. При этом информация об изменении синтезируемой пространственной частоты (.скорости Vj ) поступает на управляемый делитель 11 напряжения, который изменяет свой коэффициент передачи прямо пропорционально заданному изменению скорости V; . Это адекватно изменению коэффициента передачи обратно пропорционально заданному изменению значения пространственной час тоты N- . Коэффициент передачи управляемого делителя 11 напряжения поддерживается постоянным для заданного значения пространственной частоты N- за счет наличия в устройстве контура 20 отрицательной обратной связи, в который входят фильтр 12 нижних частот, схема 14 сравнения, источник 15 опорного напряжения. Указанный контур введен в устройство с целью стабили- 25 зации коэффициента передачи на нулевой пространственной частоте. Фильтр 12 нижних частот пропускает на второй вход схемы 14 сравнения низкочастотную составляющую сигнала, амплитуда ЗО которой может изменяться в процессе работы устройства, например, за счет изменения коэффициента пропускания контролируемых оптических систем, их светосилы, посторонних засветок з и т.д. Схема 14 сравнения производит сравнение амплитуды сигналов, непрерывно поступающих на ее входы от источника 15 опорного напряжения и от фильтра 12 нижних частот, выраба- о тывая при этом разностный сигнал, который подается на в торой аналоговьй вход управляемого делителя 11 напря- жения. При этом коэффициент передачи последнего изменяется в соответствии. с изменением постоянной составляющей информационного сигнала. С выхода управляемого делителя 11 напряжения сигнал подается на информационньш

вход избирательного усилителя 13, KO-JQ электрический сигнал, адекватный маторый вьщеляет первую гармонику сигнала.. Причем выполнение избирательного усилителя 13 в виде синхронного фильтра позволяет производить его автоматическую частотную подстройку в jj случае непредвиденных изменений временной частоты сигнала. Эти изменения связаны с управлением скоростью

тематическому выражению (1) для ФПМ контролируемой оптической системы. Устройство позволяет производить измерение полихроматической ФПМ в широком диапазоне пространственных частот.

Причем эффективная спектральная плотность светового потока в услови

9408

вращения двигателя в случае изменения тактовой частоты синхрогенератора 9. Для осуществления автоматической частотной подстройки на управляю1вд1й вход избирательного усилителя 13 поступает сигнал от второго дополнительного выхода синхрогенератора 9, при этом сигнал пропускается через делитель частоты, встроенный в син- хрогенератор 9. Лалее сигнал поступает на регистрирующий прибор 17, где измеряется амплитуда первой гармоники, соответствующей КПМ на заданной пространственной частоте. С выхода блока 16 управления на регистрирующий прибор 17 поступает также информация о значении пространственной частоты Ц , , соответствующей измеренной амплитуде. Дискретное последовательное изменение значений скорости движения задается блоком 16 управления. Таким образом осуществляется синтез любых пространственных частот N. Временный интервал, через ко-, торый возможно произвести смену значения анализируемой пространственной

дуляции освещенности изображения. Однако он в меньшей степени зависит от положения изображения тест-объекта 4 на светочувствительной поверхности и скорости движения последней. Поэтому для достижения более высокой производительности контроля величины указанных параметров устройства могут регулироваться в процессе настройки. Кроме того, очень важно поддерживать стабильным значение заданной синтезируемой пространственной частоты в течение всего рабочего цикла, который заканчивается измерением амплитуды сигнала. Устройство (как видно из его схемы и описания) обладает нерасстраиваемостью по нескольким рабочим параметрам. синтезируемой пространственной частоте, коэффициенту передачи, частотным характеристикам.

На выходе устройства формируется

тематическому выражению (1) для ФПМ контролируемой оптической системы. Устройство позволяет производить измерение полихроматической ФПМ в широком диапазоне пространственных частот.

Причем эффективная спектральная плотность светового потока в условиях измерения максимально приближена в этом случае к условиям эксплуатации. Это дает возможность повысить достоверность, эффективность, оптимальность контроля при сохранении высокой точности и производительности. .я электронной обработки сигнала существенно, чтобы любой анализируемой простраственной частоте соответствовала неизменная временная час- Ю вую гармонику электрического сигна- тота переменной составляющей сигнала. Это позволяет упростить электронную схему обработки сигнала и повысить точность обработки. Указанные обстола, заданные значения пространственных частот синтезируют последователь ным дискретньм изменением скорости перемещения фоточувствительной поятельства позволяют применить предла- 5 верхности приемного анализатора с

гаемьш способ для автоматизированного контроля более широкого класса оптических систем, в ток числе для оптических систем массовоги производства, например, кинофотообъективов.

Формула изобретения

1 . Способ контроля качества оптических систем, заключающийся в формировании изображения щелевого излучателя в плоскости анализа, модуляции освещенности указанного изображения, перемещении приемного анализатора в плоскости анализа перпендикулярно направлению расположения щелевого излучателя с одновременным осуществлением интегрирующего считьшания пространственно-временного распределения освещенности Е (х, t) в изображении щелевого излучателя, преобразовании результата регистрации этого распределения в переменный электрический сигнал вида

U(t)K-cosut j Лд(х)-cos- -x-dx, (1)

-со

где К - постоянная преобразования; со - временная частота модуляции

освещенности;

V - линейная скорость движения фоточувствительной поверхности приемного анализатора;

Ад(х)-функция рассеяния линии конт-50 обработки, к второму входу которого

ролируемой оптической системы;X - текущее значение координаты

в направлении движения; t - текущее значение времени измерении амплитуды полученного сигнала и определении функции передачи модуляции контролируемой оптической

55

подключен выход линейного прибора с переносом заряда, первый вход .сравнения подключен к источнику опор ного напряжения, а второй вход соеди нен с выходом фильтра нижних частот, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности и до товерности контроля за счет определе

системы, отличающийся тем что, с целью повышения информативности контроля за счет определения полихроматической функции передачи модуляции в широком диапазоне пространственных частот, модуляцию освещенности изображения производят с постоянной временной частотой, перед измерением амплитуды выделяют первую гармонику электрического сигна-

ла, заданные значения пространственных частот синтезируют последовательным дискретньм изменением скорости перемещения фоточувствительной по

временным интервалом, превышающим период модуляции освещенности изображения, при этом значения коэффициента передачи электрического сигнала

устанавливают обратно пропорциональ- ньми значениям синтезируемой простраственной частоты.

2. Устройство для контроля качества оптических систем, содержащее последовательно расположенные по ходу луча .источник излучения, конденсор, тест-объект в виде а1;елевой диафрагмы, коллиматорньш объектив, микрообъектив, линейный прибор с переносом заряда, фоточувствительная поверхность которого установлена в плоскости и изображения микрообъектива и ориентирована длинной стороной в направлении, поперечном расположению изображения щелевой диафрагмы, и регистрирующий прибор, причем тест-объект помещен в фокальной плоскости колли- маторного объектива, а предметная плоскость микрообъектива совмещена

с задней фокальной плоскостью контролируемой оптической системы, а также синхрогенератор, блок предва™ рительной обработки, фильтр нижних частот, схему сравнения, источник

опорного напряжения., при этом линейный прибор с переносом заряда подключен к первому выходу синхрогенера- тора, второй выход которого соединен с первым входом блока предварительной

обработки, к второму входу которого

подключен выход линейного прибора с переносом заряда, первый вход .сравнения подключен к источнику опорного напряжения, а второй вход соединен с выходом фильтра нижних частот, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности и достоверности контроля за счет определения полихроматической функции передачи Модуляции в широком диапазоне пространственных частот, в него введены вращающийся дисковый модулятор между диафрагмой и коллиматорным объективом, соединенный с синхронным электродвигателем, светофильтр, расположенный между источником излучения и конденсором, управляемый делитель напряжения, избирательный усилитель, блок управления, синхрогенератор с регулировкой частоты следования импульсов, задающих скорость движения фоточувствительной поверхности, и имеет дополнительный вход и два допол нительных выхода, первый из которых

соединен с синхронным электродвигателем, а второй подключен к управляющему входу избирательного усилителя, выход блока управления соединен с входом синхрогенератора, с вторым входом регистрирующего прибора и с цифровым входом управляемого делителя напряжения, информационный вход которого подсоединен к выходу блока предварительной обработки, второй аналоговый вход подключен к выходу схемы сравнения, а выход - к входу фильтра нижних частот и информационному входу избирательного усилителя, выход которого подсоединен к первому входу регистрирующего прибора.