Способ контроля передаточной функции оптической системы и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01M11/00 

11

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано на предприятиях оптико-механической промышленности для автоматизированного контроля и паспортизации качества оптических систем различного назначения путем измерения полихроматической оптической передаточной функции.

Цель изобретения - повышение чувствительности, достоверности измерений, и информативности контроля.

На фиг, 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способу на фиг. 2 - схема расположения приемных анализаторов.

Устройство содержит источник 1 излучения, электрохромный модулятор 2, светофильтр 3, конденсатор 4, тест-объект 5, объектив 6, микрообъектив 7, два линейных прибора с переносом заряда 8 и 9, синхрогене- ратор 10, блок 11 предварительной обработки, формирователь 12 импульсов, фазовый 13 детектор, формирователь 14 сигналов управления, генератор 15 синусоидальных колебаний, управляемый источник 16 тока, управляемый ключ 17, схему 18 сравнения, два фильтра 19 и 20 нижних частот, устройство 21 компенсации запаздывания, электродвигатель 22, регистрирующий прибор 23. Источник 1 модулированного излучения выполнен в вид лампы накаливания и установленного за ней электрохромного модулятора 2, который подключен к выходу управляемого источника 16 тока. Тест-объект 5 выполнен в виде узкой щелевой диафрагмы и установлен в фокальной плоскости объектива 6, соосно с которым установлен контролируемый объектив. За контролируемым объективом расположен микрообъектив 7, предметная плоскость которого совмещена с задней фокальной плоскостью контролируемого объектива.

В плоскости изображения микрообъе тива 7, оптически сопряженной с плоскостью тест-объекта 5 и являющейся плоскостью анализа, установлены приемные анализаторы 9 и 8. При этом линейка фоточувствительных элементов приемного анализатора 9 параллельна соответствующей линейке приемного анализатора 8 и обе линейки перпендикулярны направлению расположения тест-объекта 5, Кроме того, приемный

212

анализатор 9 установлен с поворотной симметрией относительного приемного анализатора 8, т.е. повернут относительно последнего на 180 вокруг оптической оси микрообъектива 7, при этом считывающие узлы приемных анализаторов 8 и 9. находятся пор разные стороны изображения тест-объекта 5. Приемные анализаторы 8 и 9 подключены каждый к первому выходу синхрогенератора 10. Выход анализатора 8 подключен к второму входу блока 11 предварительной обработки 11, а выход анализатора 9 подключен к дополнительному входу блока 11 предварительной обработки, первый вход которого соединен с вторым выходом синхрогенера- тора 10. Выход блока 11 предварительной обработки подключен к соединенным между собой входу первого фильтра 19 нижних частот и регистрирующему прибору 23, а также к входу формирователя 12 импульсов. Дополнительный

ВЫХОД блока 11 предварительной обработки соединен с дополнительным входом формирователя 12 импульсов, выход которого соединен с первым входом- фазового детектора 13, а дополнительный

выход подсоединен к второму выходу фазового детектора 13. Выход фазового детектора 13 соединен через второй фильтр 20 нижних частот с регистрирующим прибором 23, а с входом управляемого ключа 17 и дополнительным

входом формирователя 14 сигналов управления. Вход формирователя 14 сигналов управления подсоединен к третьему выходу синхрогенератора 10, первьм выход соединен с управляющим

входом управляемого ключа 17, а вто5

рой выход формирователя 14 сигналов управления соединен с входом генератора 15 синусоидальных колебаний. Выход последнего подключен к второму входу управляемого источника 16 тока, выход которого соединен с электро- хромным модулятором 2. Первый вход управляемого источника 15 тока подключен к выходу схемы 18 сравнения, на второй вход которой подано опорное напряжение U, а первьй вход соединен с выходом фильтра 19 нижних частот. Выход управляемого ключа 17 подключен к электродвигателю 22.

При реализации устройства в качестве источника 1 излучения использована галогенная лампа накаливания. В качестве электрохромного модулято0

5

pa использовалось электрохромное устройство модуляции полихроматического светового потока на основе элект рохромног о материала ЭЗМ-42.

В качестве светофильтра использовано сочетание цветного оптического стекла (СЗС 17 + ЖС11). Микрообъектив 7 подобран из числа серийно выпускаемых промышленностью, при этом численная опертура должна превьппать выходную апертуру контролируемого объектива, а увеличение должно обеспечивать согласование максимальной анализируемой пространственной частоты в изображении тест-объекта, в качестве которого использована узкая (порядка 10 мкм) и длинная щель, и размера фоточувствительных элементов 8 и 9. Изображение щели вдоль должно быть больше расстояния между линейками фоточувствительных элементов 8 и 9. Оба анализатора одинаковы и из- готовлены на одной полупроводниковой пластине, за счет чего технологическ обеспечена идентичность их оптически и электрических параметров. Расстояние между осями фоточувствительных линеек 2 мм. Размер такой зоны, приведенной к плоскости тест-объекта, можно считать удовлетворяющим условию изопланатизма. При реализации устройства в качестве анализаторов использован прибор Квант-2. Синх- рогенератор 10 выполнен на интеграль

ных микросхемах 561 серии и обеспечивает режим непрерывного следования тактовых импульсов и заданную постоянную скоростью движения зарядов V при отсутствии периода накопления. Формирователь 12 импульсов выполнен двухканальным на интегральных компараторах 521 СА 2. Блок предварительной обработки выполнен двухканальньм на базе аналоговых ключей 590 КН4 и операционных усилителей 544 УД2. Ге- нератор синусоидальных -колебаний реализован на интегральных микросхемах 561 серии, ЦАП 594, ПА1 и преобразователе ток-напряжение 544 УД2. В качестве схемы 18 сравнения использова на схема на операционном.усилителе 140 УД8. Управляемый ключ 17 реализован на базе интегральной микросхемы 590 КН5. Формирователь сигналов управления выполнен на основе микросхем 561 серии и содержит также детектор допусковой зоны на сдвоенном компараторе 521 СА1. Источник опор

O

5

0

5

0

5

0

- О

5

ного напряжения, которое подается на схему сравнения, выполнен на основе прецизионного стабилитрона Д818Е. В качестве исполнительного электродвигателя использован электродвигатель постоянного тока с регулятором скорости. Устройство 21 компенсации транспортного запаздывания, на котором установлены элементы 8 и 9, механически связано с валом электродвигателя 22.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Источник 1 излучения с помощью светофильтра 3 и конденсора 4 освещает тест-объект 5. Коллиматорный объектив 6, контролируемый объектив, установленный на позицию контроля, и микрообъектив 7 формируют изображение тест-объекта 5 одновременно на двух фоточувствительных поверхностях анализатора 8 и 9. Изображение тест- объекта 5, который можно рассматривать как вторичный излучатель, имеет пространственное распределение освещенности вдоль направления движения фоточувствительной поверхности на первом 8 и втором 9 анализаторах: Е(х) и Е(-х) соответственно в виде функции рассеяния линии A(x), поскольку фоточувствительные поверхности движутся в противоположных направлениях перпендикулярно направлению расположения тест-объекта 5. При отсутствии модуляции светового потока источника 1 излучения и постоянной скорости движения фоточувствительной поверхности анализаторов 8 и 9, амплитуда сигналов на их выходах будет постоянной U(t) const. При этом величина зарядового пакета по мере его непрерывного движения по освещенному участку фоточувствительной поверхности каждого анализатора возрастает в каждой точке на величину, пропорциональную значению освещенности в этой точке. С помощью такого режима работы анализаторов производится интегрирующее считывание значений освещенности изображения вдоль направления движения зарядов. Такой режим работы соответствует нулевой пространственной частоте N. 0.

Уровень постоянного напряжения на выходе каждого анализатора задается путем регулировки амплитудного пропускания электрохромного модулятора 2 с помощью подачи постоянного

сигнала смещения от управляемого источника 16 тока. Светофильтр 3 осуществляется согласование спектральных характеристик источника 1 излучения и анализаторов 8 и 9. Весь цикл из- мерений функций передачи модуляции и фазы состоит из двух тактов. В первом такте формирователь 14 сигналов управления задает нижнюю пространственную частоту NJ, (близкую к нулевой) которой соответствует минимальное значение временной частоты сигнала генератора 15 синусоидальных колебаний управляемого формирователем 14 сигналов управления. При этом с выхода управляемого источника 16 тока поступает униполярный ток, который управляет величиной амплитудного пропускания электрохромного модулятора 2 по закону зе(с) 1 + mcosw,t, где m - глубина модуляции. При движении фоточувствительной поверхности ЛППЗ с постоянной линейной скоростью V временной частоте генератора синусоидальных колебаний 15, равной w, которая адекватна в данном случае временной частоте амплитудной синусои,- дальной модуляции освещенности изображения, соответствует анализируемая

пространственная частота N , которая определяется вьфажением N и /27ГУ. Если пространственный период Р 1/Т .анализируется за время Т, где Т представляет собой период изменения освещенности изображения за счет амплитудной модуляции, то Р может быть определено как Р TV V/f. Тогда N. 1/Р f/V tu/2 V (1). Отсюда U5/V 2 ГЫ (f - временная частота). Таким образом, пространственная частота NJ определяется отношением временной частоты модуляции освещенности к линейной скорости V движения фоточувствительной поверхности. Тогда сигнал U, с выхода ЛППЗ 8 определяется выражением (при m 1)

00

и, (t,w,)- К(( A(x)dx +

Ты- + cosw.t A(x)cos-jrxdx -«о,

- sinw.t { Ад (х) sin-j-xdx) (2)

г .

где К - постоянная преобразования. Распределение освещенности Е(х) в плоскости анализа представляет собой функцию рассеяния линии Ад(х) Контролируемой оптической системы.

5 О 5

0

5

0

5

0

5

В выражении (2) первый интеграл описывает сигнал U на нулевой пространственной частоте и при введении нормировки равен единице. Второй и третий интеграл есть не что иное как косинус-преобразование Фурье C(N) и синус-преобразование Фурье S(N) функции А ,(х) соответственно. С учетом соотношения (1) и равенства V-t X выражение (2) можно переписать в виде

и, (t,w,) + cos2TrN(C(N) -sin2iiN S(N)J.(3)

По определению модуль комплексной ОПФ есть ФПМ, которая определяется

как T(N) (N)2 + S(N)2, а аргумент (/(N) есть ФПФ и определяется из соотношений:

м S(N) ,.,, C(N) ,., sint,(N). -щ; cosc(N) ТЙ)

Умножая и деля выражение (3) на

T(N), получим

U,(c,w.) K+KT(N.)cos2/7N;X i| -sin27rN;x| K+KT(N) х

x cos2lN,-xcos(/(N,)-sin2«N;xsinir(N,- ) К { 1 + T(N,)cost2TlN;X - If (N;)T (5)

Выражение (5) показывает, что вид электрического сигнала U с выхода анализатора 8 полностью соответствует математическому вьфажению оптической передаточной функции контролируемой оптической системы. Рассмотрим теперь вид сигнала U2(t,u),-) с выхода второго анализатора 9. Движение фоточувствительной поверхности у анализатора осуществляется в противопо- ложном направлении

Ui(t,co,) К {l +

+ T(Ni) cos 2 iiN-x) + /(N)3 . (8)

Полученные выражения (5) и (8) математически описывают реальные сигналы с анализаторов 8 и 9 соответственно. Однако эти выражения справедливы лишь в том случае, если будут приняты специальные меры, исключающие инструментальные погрешности.

При измерении функции передачи модуляции могут произойти случайные изменения величины постоянной составляющей светового потока (например.

71

при изменении коэффициента пропускания контролируемой оптической системы) . Для исключения влияния величины постоянной составляющей сигнал U после блока 11 предварительной обработки непрерьшно поступает через фильтр 9 нижних частот на вход схемы 18 сравнения, на второй вход которой непрерывно поступает сигнал U,. от

Оп

внешнего источника опорного напряжения. Схема 18 сравнения производит сравнение этих двух сигналов, в случае изменения величины постоянной составляющей сигнала U вырабатывает разностный сигнал, который подается на первый вход управляемого источника 16 тока. При-этом на в.ыходе источника 16 тока изменяется значение постоянной составляющей тока, питающего электрохромный модулятор 2, который изменяет коэффициент пропускания до получения сигнала рассогласования с выхода схемы 18 сравнения, равного нулю. Наличие в устройстве цепи отрицательной обратной связи дает возмож ность произвести точную нормировку амплитуды сигнала U и тем самым повысить точность измерений ФПМ. В течение первого такта предлагаемое устройство с целью повьппения достовер- ности измерений ФПФ производит дифференциальную компенсацию транспортного запаздывания, которое ш-feeT место в ЛППЗ из-за конечной скорости пе

реноса зарядов. Величина транспортно-35 ну уменьшения, или наоборот) в пре40

го запаздывания зависит от местопоожения (координаты х) изображения на фоточувствительной поверхности. тобы уравнять величину транспортного запаздывания сигналов U и U , на нижней пространственной частоте формируют управляющий сигнал. Для этого сигналы с ЛППЗ подают на двух- канальный блок 11 предварительной обработки, который осуществляет предва- рительное усиление сигналов и двойную коррелированную выборку. Двойная коррелированная выборка повышает отношение сигнал-шум и устраняет помехи, обусловлейные прохождением и наложением на полезные сигналы импульсов синхрогенератора 10. С выходов блока предварительной обработки сигналы и и и и каждый по свое50

му каналу поступают в двухканальный формирователь 12 импульсов, который производит нормализацию амплитуды сигналов и И и и осуществляет

55

8

формирование импульсов прямоугольной формы, что способствует повышению точности фазового детектирования и измерения ФПФ. С выходов формирователя импульсов сигналы U и -U подают0

5

0

ся на первый и второй вход фазового детектора 13, который имеет фазовращатель 90°. При этом с выхода фазового детектора 13 поступает сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине разности фаз сравниваемых сигналов и и и . Величина разности фаз на нижней пространственной частоте (близкой к нулевой) в случае правильной настройки должна быть равна нулю, в случае, если разность фаз на указанной пространственной частоте не равна нулю, то это означает, что необходимо уравнять величины запаздывания сигналов и и Uj. Для этого с выхода фазового детектора 13 через второй фильтр 20 нижних частот сигнал рассогласования поступает на дополнительный вход формирователя 14 сигналов управления и через управляемый ключ 17 - на управляющий вход электродвигателя 22. Последний механически перемещает устройство 21 компенсации транспортного запаздывания вместе с неподвижно закрепленными на нем анализаторами 8 и 9 вдоль координаты X. При этом фазы сигналов U и и изменяют свою величину (одна в .сторону . увеличения, другая в сторо

делах одного периода (-, + ii ) до тех пор, пока величины запаздывания не уравняются и аьшлитуда сигнала рассогласования с фазового детектора не приблизится к допустимому уровню. Формирователь 14 сигналов управления с помощью детектора допусковой зоны сшализирует уровень выходного сигнала с второго фильтра 20 нижних частот. Когда уровень сигнала рассогласования входит в допусковую зону, формирователь 14 осуществляет размыкание управляемого ключа 17, в результате электродвигатель 22 останавливается, и процесс дифференциального выравнивания запаздывания прекращается. При анализе функции передачи фазы на более высоких пространственных частотах формирователь 14 сигналов управления полностью блокирует управляемый ключ 17, в результате чего во втором такте при измерении функций передачи фазы он находится в ра9 . 13 зомкнутом состоянии. Чтобы избежать неопределенности (в целое число периодов) при исключении влияния набега фазы за счет запаздывания, необходимо увязать между собой линейное смещение изображения тест-объекта 5 (из-за случайных сдвигов) и допустимое изменение фазы сигналов Uj на нижней пространственной частоте

Кц. Очевидно, что величина указанного смещения изображения в устройстве не может превышать длины фоточувствительной поверхности L, при зтом сдвиг фазы сигналов не,должен превышать 2н. Поскольку линейное смещение изображения L должно составлять такую же часть от периода, т.е. от 1/N, какую фазовьй угол сдвига /CN) составляет от 2(Г, то очевидно имеет место равенство

L J(NH)

I/N.

27Г

(9)

Во втором такте устройство производит измерение функций передачи модуляции и фазы. Под воздействием управляющих кодов, поступающих с формирователя 14 управляющих сигналов, генератор 15 синусоидальных колебаний формирует заданные значения временной частоты модуляции to., соот ветствующие пространственной частоте N . В соответствии с этим управляемый источник 16 тока изменяет часто-

ту импульсов, подаваемых на электро- хромный модулятор 2, который осуще- 35 ствляет модуляцию светового потока с заданной частотой uJ-. Выходной сигнал с анализатора 8 через соответствующий канал блока предварительной . . Т / обработки 11 поступает на регистриру-40 U, (t,a,.) K(cos w t j A(x)c6s--xx

1. Способ контроля передаточной функции оптической системы, включающий операции определения функции передачи модуляции и функции передачи фазы оптической системы путем формирования изображения щелевого излучателя в плоскости анализа, амплитудной модуляции освещенности изображения синусоидальным сигналом с временной частотой u); , перемещение анализатора в плоскости анализа перпендикулярно щелевому излучателю с постоянной линейной скоростью V с одновременным осуществлением интегри рующего считывания пространственно- временного распределения освещенност E(x,f) в изображении щелевого излучателя, при этом 00 2FN;V, где N. - пространственная частота, преоб разование результата регистрации в переменный электрический сигнал вида

ющий прибор 23, который измеряет амплитуду пришедшего сигнала U на всех заданных пространственных частотах, т.е. функцию передачи модуляции. Сигнал с анализатора 8, проходя через блок 11 предварительной обработки и формирователь 12 импульсов, где подвергается такой же обработке, как и сигнал, сформированный на нижней пространственной частоте, поступает на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которого приходит сигнал с анализатора 9, прошедший соответствующие каналы блока 11 предварительной обработки и формирователя 12.

С вьпсода фазового детектора 13 сигнал, пропорциональньй разности

10

fO

t5

20

25

30

35 . . Т / -40 U, (t,a,.) K(cos w t j A(x)c6s--xx

фаз сравниваемых сигналов Ц и Uj, поступает через второй фильтр 20 нижних частот на регистрирующий прибор 23, где фиксируется информация о функции передачи фазы. В данном случае при определении разности фаз сигналов и и Uj, описываемьк выражениями (5) и (8) соответственно, за счет противоположных знаков i/(N) на выходе фазового детектора 13 формируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна 2W(N,), что повышает чувствительность измерений функции передачи фазы.

Формула изобретения

1. Способ контроля передаточной функции оптической системы, включающий операции определения функции передачи модуляции и функции передачи фазы оптической системы путем формирования изображения щелевого излучателя в плоскости анализа, амплитудной модуляции освещенности изображения синусоидальным сигналом с временной частотой u); , перемещение анализатора в плоскости анализа перпендикулярно щелевому излучателю с постоянной линейной скоростью V с одновременным осуществлением интегрирующего считывания пространственно- временного распределения освещенности E(x,f) в изображении щелевого излучателя, при этом 00 2FN;V, где N. - пространственная частота, преобразование результата регистрации в переменный электрический сигнал вида

X dx - sin W

M

. A(x)sin-- X dx) ,

-co

где К - постоянная,A(x) - функция рассеяния линии

контролируемой оптической системы;

X - текущее значение координаты в направлении движения;

t - текущее значение времени, после чего определяют функцию передачи модуляции оптической системы на заданных пространственных частотах, которые формируют путем последователь ного изменения временной частоты амплитудной cинyco щaльнoй модуляции и сравнением фаз переменных электрических сигналов U(t,tA),-) и Uj(t,U);)

определяют функцию передачи фазы оптической системы, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и достоверности измерений, изображение щелевого излу чателя формируют одновременно на втором анализаторе, перемещаемом одновременно с первым в плоскости анализа со скоростью V, равной скорости первого анализатора, в противоположном направлении и при осуществлении интегрирующего считывания распределения освещенности Е(-х,с) преобразуют результат регистрации в переменный злектрический сигнал

ев

и,(с,ьо.) К(созы) А(х) X

oi-

X cos-.xdx + sinWjtt Ад(х) х

. О); ,-00

X sin-- xdx,

а величину запаздывания сигналов U и и. дифференциально уравнивают путем изменения взаимного расположения изображения и анализаторов по получении нулевой разности фаз на нижней пространственной частоте Нц, выбираемой из условия

N --- н 2TV

i.

где L - длина фоточувствительной поверхно сти анализатора. 2. Устройство для контроля переда точной функции оптической системы, содержащее источник модулированного излучения и размещенные по ходу его луча конденсор, тест-объект в виде щелевой диафрагмы, объектив, микрообъектив, линейный прибор с переносом заряда, ориентированный перпендикулярно щелевой диафрагме, и регистрирующий прибор при этом тест- объект размещен в фокальной плоскости объектива, а также генератор синусоидальных колебаний, синхрогене- ратор, блок предварительной обработки, управляемый источник тока, два фильтра нижних частот, схему сравнения, формирователь сигналов управления, фазовый детектор, формирователь импульсов, при этом линейный прибор с переносом заряда подключен к перво му выходу синхрогенератора, второй выход которого соединен с первым вхо дом блока предварительной обработка

15

25

к второму входу которого подключен выход линейного прибора с переносом заряда, а к выходу подключены соединенные между собойорегистрирующий 5 прибор и первый фильтр нижних частот, выход которого соединен с входом мы сравнения, выходом подключенной к первому входу управляемого источника тока, второй вход которого под 0 соединен к выходу генератора синусоидальных колебаний, вход которого соединен с вторым выходом формирователя сигналов управления, входом подключенного к третьему выходу синхрогенератора, при этом выход блока предварительной обработки подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, выходом под20 соединенного через второй фильтр нижних частот к регистрирующему прибору, отличающееся тем, что, с целью повьшения чувствительности и информативности контроля, в него дополнительно введены второй линейный прибор с переносом заряда, ориентированный параллельно первому и подключен к первому выходу синхрогенератора, светофильтр, устройство компенсации запаздывания с электродвигателем, управляемый ключ, блок предварительной обработки и формирователь импульсов выполнены с дополнительными входом и выходом, а форми35 рователь сигналов управления - с дополнительным входом, к которому подключен выход второго фильтра нижних частот, подключенный к входу управляемого ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом формирователя сигналов управления, а выход подключен к электродвигателю, вьг- ход второго линейного прибора с переносом заряда подсоединен к дополни- тельному входу блока предварительной обработки, дополнительный выход которого подключен к дополнительному входу формирователя импульсов, дополнительный выход которого подключен к

30

40

50

55

второму входу фазового детектора.

3. Устройство по п. 2, о т л и- чающее ся тем, что источник модулированного излучения выполнен в виде лампы накаливания и установленного за ней электрохромного модулятора.

л.

Вид А

.

К

Изображение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизированного контроля и паспортизации качества оптических систем. Цель изобретения - повьшение чувствительности, достоверности измерений и информативности контроля. Под воздействием кодов, поступающих с формирователя 14 управляющих сигналов, генератор 15 синусоидальных колебаний формирует заданные значения временной частотной модуляции, соответствующие пространственной частоте. Источник 16 тока изменяет частоту импульсов, подаваемых на модулятор 2. Сигнал с анализатора 8, проходя через блок 1 1 предварительной ; обработ- ки и формирователь 12 импульсов, поступает на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которого приходит сигнал с анализатора 9, прошедший соответствующие каналы блока 11 предварительной обработки и формирователя 12, С выхода фазового детектора 13 сигнал, пропорциональный разности сравниваемых сигналов, поступает через фильтр 20 нижних частот на регистрирующий прибор 23, где фиксируется информация о функции передачи фазы. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил. с (Л 00 00 00 to

Редактор С.Патрушева

Составитель А.Миронос

Техред А.Кравчук Корректор Л.Патай

Заказ 2499/33 .

Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое.предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Фиг. 2