Способ автоматического определения фокуса оптической системы и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01M11/00 G03B3/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использо- вано для определения дифракционного фокуса, степени расфокусировки, значения фокусного расстояния оптической системы в любой части спектрального диапазона при исследовании оптической системы в процессе ее изготовления, испытания и юстировки, а также осуществления точной автоматической фокусировки объективов аэрофотосъемки, астрономических телескопов, зрительных труб и других оптических систем, преимущественно высококачественных.

Цель изобретения - повышение точности и чувствительности.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для автоматического определения фокуса оптической системы; на фиг.2 - функциональная схема блока разностной обработки; на фиг.З - функциональная схема блока электронной обработки.

Предлагаемый способ определения фокуса оптической системы характеризуется исключением центральной части изображения из последующего анализа интенсивности путем применения диафрагмы с центральным экраном при одновременном непрерывном поперечном перемещении анализатора. Положению наилучшей установки соответствует равенство минимальных значений интенсивности модулированной оставшейся части изображения.

Предлагаемое устройство состоит (см. фиг.1) из последовательно установленных вдоль оптической оси источника 1 излучения, конденсора 2, точечной диафрагмы 3, объектива коллиматора 4, модулятора 5 в виде четырехгранной правильной усеченной зеркальной пирамиды, четырехэлемен- тного приемника 6 излучения, каждый из элементов которого электрически связан с соответствующим входом блока 7 разностной обработки сигналов, выходы которого соответственно связаны со входами привода 8 горизонтального поперечного перемещения модулятора 5 и привода 9 вертикального поперечного перемещения модулятора 5. Малое основание зеркальной пирамиды модулятора 5 выполнено непрозрачным. С другой стороны выходы всех эле- ментов приемника излучения 6 электрически связаны с первым входом бло- ка 10 электронной обработки, второй вход которого связан с первым выходом задающего генератора 11, в свою очередь второй выход задающего генератора 11 электрически связан с входом привода 12 глубинного сканирования, дополнительный вход которого связан с выходом блока 10 электронной обработки.

, Блок 7 разностной обработки выполнен двухканальным: первый канал состоит из

дифференциального (разностного) усилителя 13 и интегратора 14, второй канал состоит из дифференциального усилителя 15 и интегратора 16 (см. фиг.2). Входы дифференциального усилителя 13 подключены к

0 паре элементов б фотоприемника, оптически связанными с противоположными зеркальными гранями модулятора 5 и расположенными в горизонтальной плоскости. Пара элементов 6, дифференциальный

5 усилитель 13, интегратор 14 и привод 8 горизонтального перемещения образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 в горизон- тальном направлении. Другая пара 0 элементов 6, дифференциальный усилитель 15, интегратор 16 и привод 9 образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 в вертикальном направлении,

5Блок 10 электронной обработки содержит сумматор 17, усилитель 18, амплитудно- фазовый детектор 19 и интегратор 20. Все четыре элемента 6, сумматор 17, усилител; 18, амплитудно-фазовый детектор 19, интег0 ратор 20 и привод 12 глубинного сканиро- в,ания образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 вдоль оптической оси контролируемой оптической системы 21.

5Устройство работает следующим образом.

Конденсор 2 формирует изображение источника 1 излучения в плоскости точечной диафрагмы 3, задающей размер поля зре0 ния коллимирующего объектива 4, В задней фокальной плоскости контролируемого объектива 21 формируется дифракционное изображение точечной диафрагмы 3. Модулятор 5 совершает возвратно-поступа45 тельное движение под действием пьезоэлектрического привода 12 глубинного сканирования, осуществляя при этом пространственно-временную модуляцию изображения. Сигналы с противоположных

50 элементов приемника 6 излучения поступают на два разностных усилителя 13 и 15 блока 8 (условно вертикального и горизонтального каналов) и затем на вход интеграторов 14 и 16 блока 8. После интегрирования

55 сигнал ошибки подается соответственно на вертикальный 9 и горизонтальный 8 пьезоэлектрический привод поперечного перемещения модулятора 5. Таким образом, осуществляется обратная связь по сигналу, что позволяет осуществлять непрерывное

симметрирование модулятора 5 относительно изображения.

С другой стороны сигналы со всех элементов приемника 6 излучения поступают на сумматор 17 блока 10, после усиления усилителем 18, фильтрации с помощью амплитудно-фазового детектора 19 сигнал рассогласования подается на выходной интегратор 20, осуществляющий управление средней точкой глубинного сканирования модулятора 5. Сигнал с выходного интегратора 20 подается на дополнительный вход привода 12. Глубинное сканирование осуществляется под управлением задающего генератора синусоидальных колебаний 1, кроме того, сигнал с задающего генератора 11 в качестве опорного подается на амплитудно-фазовый детектор 19 блока 10. Постоянная времени контура центрирования модулятора 5 должна быть существенно меньше частоты колебаний, в ырабатывае- мых задающим генератором 11.

Применение предлагаемого способа и устройство позволяет отслеживать направление и величину расфокусировок контро- лируемого объектива или точечной диафрагмы, а также существенно повысить точность определения положения фокальной плоскости оптической системы а следовательно, повысить точность измерений, проводимых с помощью данной оптической системы, например, определения дальности, координат обьектов, пространственных частот обьектов, а также качества исследуемых оптических систем.,

Для получения максимальной чувствительности в модуляторе 5 диаметр вписанной окружности d меньшего светопог- лощающего основания выбирается из соотношения

d - 7 А Кг,

где т} 1,4-2,44 - коэффициент пропорциональности, зависящий от амплитуды глубинного сканирования и аберрационных характеристик контрольного обьектива; А- длина волны излучения источника; Кг - геометрическое диафрагменное число контролируемого обьектива.

Экранирование центральной части изображения удаленного источника света при- водит к значительному повышению чувствительности способа при малой степени расфокусировки. В дифракционно-ограниченной оптической системе (ДООС) первый минимум освещенности наблюдает- ся при угле дифракции ty, определяемом по формуле

sin 1р m A/D ,

где m - коэффициент, зависящий от формы (выходного) зрачка обьектива (например, для квадратного зрачка mi 1, для круглого ГП2 1,22 и т.д.); А- длина аолны излучения; D - размер (выходного) зрачка обьектива (диаметр - для круглого значка). Тогда размер первого темного кольца в изображении удаленного источника света в задней фокальной плоскости обьектива с фокусным расстоянием запишется как

di 2f1-tg 2mA-Kr в предложении малости угла дифракции Ц). Здесь Кг f /D геометрическое диафрагменное число обьектива - величина, обратная его относительному отверстию.

Диаметр вписанной окружности d меньшего светопоглощающего основания усеченной правильной зеркальной пирамиды модулятора 5 определяется на основании анализа распределения энергии в выходной плоскости с учетом различных факторов, таких как аберрационные характеристики контрольного объектива, характер освещения, амплитуда глубинного сканирования и т.д. Проведена оптимизация размера d на ЭВМ с целью повышения отношения сиг- нат/шум (ОСШ) и чувствительности, а именно увеличения переменной составляющей AW и уменьшения постоянной составляющей Wo анализируемого сигнала;показано, что диаметр d равен di - размеру пеового темного кольца для ДООС с равномерной освещенностью (выходного) зрачка, а в остальных случаях d di.

Формула изобретения

1. Способ автоматического определения фокуса оптической системы, заключающийся в том, что формируют изображение удаленного источника света, экранируют часть изображения анализатором с центральной симметрией, модулируют оставшуюся часть изображения путем глубинного сканирования анализатора, измеряют интенсивность оставшейся части изображения и уравнивают интенсивность оставшейся части изображения в крайних положениях анализатора путем смещения средней точки диапазона сканирования вдоль оптической оси оптической системы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, экранируют центральную часть изображения и одновременно с глубинным сканированием осуществляют непрерывное симметрирование модулированной части изображения путем поперечного перемещения анализатора.

2. Устройство для автоматического определения фокуса оптической системы, содержащее источник .излучения, конденсатор, точечную диафрагму, объектив коллиматора, контролируемую оптическую систему, модулятор, приемник излучения, блок электронной обработки, задающий генератор и привод глубинного сканирования модулятора, причем задающий генератор подключен к приводу глубинного сканирования модулятора и к первому входу блока электронной обработки, приемник излучения подключен к второму входу блока электронной обработки, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, в него введены два привода поперечного перемещения модулятора с взаимно перпендикулярными направляющими перемещения, блок разностной обработки из двух каналов, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных дифференциального усилителя и интегратора, выход которого подключен к

соответствующему приводу поперечного перемещения модулятора, модулятор выполнен в виде правильной усеченной четырехгранной зеркальной пирамиды с

непрозрачным малым основанием, приемник излучения выполнен четырехэлемент- ным, каждый элемент которого оптически связан с соответствующей зеркальной гранью модулятора, блок электронной обработки выполнен из последовательно соединенных сумматора, амплитудно-фазового детектора и интегратора, выход которого подключен к приводу глубинного сканирования модулятора, при этом входы сумматора блока электронной обработки подключены к элементам приемника излучения, а входы каждого дифференциального усилителя блока разностной обработки подключены к элементам приемника излучения,

оптически связанным с противоположными зеркальными гранями модулятора.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки изображений и прецизионных контрольных, юстировочных и измерительных комплексах. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности. Способ заключается в экранировании центральной части изображения удаленного объекта с глубинным сканированием при непрерывном симметрировании анализатора изображения. Устройство состоит из последовательно установленных на оптической оси источника излучения 1, конденсатора 2, точечной диафрагмы 3, объектива коллиматора 4, контролируемого объектива 21, модулятора 5, многоэлементного приемника излучения 6, а также блока разностной обработки 7, блока электронной обработки 10, задающего генератора 11, привода глубинного сканирования 12 и приводов 8 и 9 поперечного перемещения модулятора 5. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

«О

S

s г

S.

«гэ

И 1

47

Кприбоду

-

Фиг.2

Ю

20

IK npufiodt/iZ