Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического изображения Советский патент 1979 года по МПК G01M11/02 

(54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНЛЛИЗЛ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ форме геометрической и волновой абе рации, получать точечные диаграммы как для прюдМета, находящегося на оптической оси исследуемой систеглы, так и для предмета вне оси, для различных участков спектра излучени Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве узел фотоприемного устройс ва выполнен в виде позиционно-чувствительного фотоприемника с радиальным электрическим полем, расположенного в узле для установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого, изображения, а сканирующая диафрагма автоматической развертывающей системы закреплена в переметающемся по двум координатам держателе, связанном с механизмом перемещения. Кроме того, механизм перемещеНИН сканирующей диафрагмы автоматической оптико-механической развертывающей системы выполнен в виде двух отдельных последовательно действующих механизмов, сообщающих держателю сканирующей диафрагмы дискретные перемещения в двух взаим но перпендикулярных направлениях, чем обеспечивается сканирование входного зрачка испытываемой оптиче кой системы любому закону, задаваемому блоком управления механизмом перемещения. На фиг. 1 изображена функциональ ная схема описываемого устройства; на фиг. 2 - оптическая схема устрой ства на фиг. 3 - функциональная схема механизма перемещения сканирующей диафрагмы на фиг, 4 - система координат в плоскости изображения, характер развертки входного зрачка испытываемой оптической системы и схема обработки информационного сигнала при снятии точечной диафрагмы; на - система координат в плоскости изображения, хара тер развертки входного зрачка испытываемой бптической системы и схема обработки информационного сигнала п измерении поперечной аберрации и представлении ее в форме геометриче кой Аберрации;на фиг.6 - схема обра ботки информационного сигнала для представления поперечной аберрации форме волновой аберрации. Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического изображения (фиг, 1) содержит автоматическую оптико-механическую развертывающую систему 1, включающую светооптическую систему 2 со сканирующей диафра мой 3, предназначенную для форм1ров ния узкого параллельного пучка излу ния и сопряжения плоскости перемещ ния сканирующей диафрагмы.с плоскос тью входного зрачка 4 испытываемой оптической системы 5 (фиг. 2), и м ханизм 6 перемещения сканирующей иафрагмы, осуществляющий процесс сканирования держатель испытываемых оптических систем, предназначенный для установки их соосно с оптической осью автоматической оптико-механической развертывающей системы и совмещения плоскости входного зрачка испытываемой оптической системы с плоскостью изображения сканирующей диафрагмы, а также для проведения измерений для предмета, находящегося на оси испытываемой оптической системы и вне ее; фотоприемное устройство 8, включающее в себя позиционно-чувствительный фотоприемник 9 с радиальным электрическим полем, служащий для определения координат, точки пересечения сканирующего луча, прощедшегочерез входной зрачок испытываемой оптической системы, с плоскостью изображения последней и устройство 10 для установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого изображения; электронный блок 11, включающий блок управления 12 механизмом перемещения сканирующей диафрагмы, задающий необходимый характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической системы, электронный тракт 13 обработки информационного сигн&ла с фотоприемника и блока 14 питания и управления всем устройством j регистрирующее устройство 15, соединенное с выходом электронного блока, предназначенное для наблюдения и записи информации, полученной в результате измерения. Светооптическая система 2 (фиг.2) содержит источник излучения 16; коллиматор, предназначенный для имитации прЬдмета, находящегося в бесконечности, включающий в себя объектив 17 и диафрагму 18, установленную в его фокусе; сканирующую диафрагму 3, расположенную перед диафрагмой коллиматора, предназначенную для формирования узкого параллельного пучка излучения; линзу 19, расположенную вплотную к плоскости диафрагмы 18 коллиматора и изображающую диафрагму 20 поля зрения, в плоскости которой перемещается сканирующая диафрагма, во входной зрачок испытываемой оптической системы; осветительную систему, расположенную между источником излучения и сканирующей диафрагмой, включеиощую коллектор 21, изображающий с увеличением тело накала источника излучения 16 в плоскости диафрагмы 20 для равномерного заполнения входного зрачка испытываемой системы, конденсор 22,/расположенный вплотную к плоскости диафрагмы 20 поля зрения, изображающий с уменьшением равномерно освещенную апер5туру коллектора в плоскости диафparr.i-J 18 кол.чиматора для ее равномерного освещения, блок сменных светофильтров 2.i, расположенный ме ду источником, излучения и коллекто ром, предназначенный для проведени измерений в различных участках спе ра излучения. Узел 10 для установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого изображения содержит узел 24 для ориентирования координатных осей фотоприемника. Для осуществления контроля сов мещения служит микроскоп 25 с имитатором чувствительной площадки фотоприемника. Механизм б перемещения сканирую щей диафрагмы (фиг. 3) содержит перемещающийся по двум координатам держатель 26 сканирующей диафрагмы шаговые двигатели 27 с коммутаторами 28, связанньами с блоком управл ния 12 механизмом перемещения, пред назначенные для последовательного дискретного перемещения через передачи винт-гайка 29 держателя сканирующей диафрагмы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Регистрирующее устройство 15 вкл чает осциллограф, предназначенный для непосредственного наблюдения процесса измерения, самописец, пред назначенный для записи измерительной информации на бумажную ленту, цифропечатающее устройство с анало го-цифровым преобразователем, позво ляющее производить обработку резуль татов измерения на ЭЦВМ. Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического изображения работает следующим образом. Автоматическая оптико-механическая развертывающая система 1 сканирует входной зрачок испытываемой оптической систегФг узким параллельным пучком излучения. Характер сканирования и управление механизмом 6 перемещения сканирующей диафрагмы осуществляются блоком управления 12.После прохождения через испытываемую оптическую систему сканирующий луч попадает на чувствительную площадку фотоприемника 9, с которого непосредственно снимаются сигналы, пропорциональные координатам точки пересечения сканирующего луча с плоскостью исследуемого изображения. Эти сигналы поступают в электронный тракт 13 обработки сигнала, в который также поступают сиг налы с блока управления 12, несущие информацию о положении луча в плос кости входного зрачка испытываемой оптической системы. В электронном блоке эти сигналы обрабатываются и поступают на регистрирующее устройство 15. На экра 01 не осциллографа и пенте самописца изображаются гра41йки соответствующего процесса измерения. Цифропечатающее устройство дает запись результатов измерения в цифровом виде для обработки на ЭЦВМ. Характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической сисTetvib и характер обработки сигналов в электронном тракте определяются в зависимости от того, что необходимо измерить. 1. Снятие точечной диафрагмы (фиг. 4). Точечная диафрагма - изображение точек пересечения отдельных лучей, проходящих через плоскость входного зрачка испытываемой оптической систе -1ы с плоскостью изображения (фиг.. 4,а). Характер сканирования входного зрачка испытываемой оптической системы, задаваемый блоком управления 12, может быть выбран следующим (фиг. 4, б и в): однородное распределение точек пересечения лучей с плоскостью входного зрачка на квадратной сетке; однородное распределение точек пересечения лучей с плоскостью входного зрачка на круглой сетке, концентричной с главным лучом. Сигналы, пропорциональные координатам X и У точки пересечения луча с плоскостью изображения, снимаются непосредственн о с позицион-. но-чувствительного фотоприемника 9, чувствительная площадка которого совмещена с плоскостью изображения испытываемой оптической систе йз. В электронном тракте обработки сигнала (фиг . 4г) при помощи усилителей 30 они усиливаются и подают-ся без дальнейшей обработки на выход электронного блока, соединенный с регистрирующим устройством 15. 2. Измерение поперечной аберрации (фиг. 5). Поперечная аберрация - смещение точки пересечения луча в плоскости изображения относительно положенная луча по диаметру входного зрачка испытываемой оптической системы (фиг. 5,а). Б этом случае блок управления 12 осуществляет линейную азвертку по диаметру входно о зрачка (фиг. 5,6). Обычно поперечную аберрацию представляют меридиональной и сагиттальной слагающими; « XsinV+VcosS и d Xcos4-Ysin4 где cfм меридиональная слагакяаая поперечной аберрации, сГс сагиттальная слагающая поперечной аберрации, Х,У - координаты точки пересечения луча с плоскостью изображения, f - азимутальный угол развертки. Устройство обеспечивает раздельное измерение этих слагающих аберрации. Сигналы, пропорциональные координатам X и У точки пересечения луча с плоскостью изображения, снимаются с позиционно-чувствительного фотоприемника 9, чувствительная площадка которого совмещена с плоскостью изображения испытываемой оптической системы. В электронном тракте обработки сигнала (фиг.Зв) с помощью усилителей 30 они усилив ются и поступают в множительные ус ройства 31, в которые с блока упра лени-я 12 поступают сигналы, пропор циональные Sin и Cos азимутального угла Ч . Затем сигналы с множительного устройства поступают в су мирующее устройство .32. Сигнал с суммирующего устройства 32, пропор циональный измеренной аберрации, и сигнал с блока .управления 12, про порциональный координате луча в плоскости входного зрачка, поступают навыход электронного блока. С выхода электронного блока они по тупают на регистрирующее устройство 15, 3. Представление поперечной абе рации в форме волновой аберрации (фиг, б) . Волновая аберрация описывается уравнением: р нiUsittH -YcosfWS, о где - - волновая аберрация, R - расстояние от плоскости изображения до плоскости выходного зрачка испытываемой оптической сис темы, X,Y - координаты точки пересечения луча с плоскостью изображения, .. PI Ч полярные координаты точк пересечения луча в плоскости выход ного зрачка. Так как в устройстве использует ся синхронная развертка ( ) ,« то волновая аберрация мо жет быть получала интегрированием по времени меридиональной слагающей поперечной аберрации: о г , max .0 где .меридиональная слагающая поперечной аберрации, JPwax ьный радиус ;разве ки, время, в течение которого радиус развертки достигает сво максимальной величины, PmdK постоянная величина, хара теризующая автоматическую разверты ваивдую систему, Ртах синус апертурного угл в пространстве изображения.Эта вел чина зависит как от испытываемой о тической систекы,так и от оптическ асти устройства, применяемого для ее контроля, поэтому ее необходимо определять для каждой испытываемой системы. Обработка сигнала при измерении волновой аберрации до интегрируюшего устройства 33 аналогична обработке сигнала при измерении поперечной аберра,ции. Интегрирование управляется с блока управления 1,2 устройством, включающим интегрирующее устройство 33, когда Р-О, и выключающим - когда р Pr)iax Выход интегратора подается на множительное устройство 34, сюда же поступает сигнал, пропорциональный параметрур /К, определяемый из предварительного эксперимента. Известно, что изменение волновой аберрации и перемещение плоскости-измерения вдоль оптической оси связаны уравнением: Д2р2 t д2 2R2 или t S- dl---t Рта:. R ДТ Следовательно, измеряя и интегрируя поперечную аберрацию при совмещенной плоскости изображения и чувствительной площадки приемника излучения и при введении расфокусировки д7 , можно определить napMeTppf Qx/ Параметрр пах/ определяется следующим образом. Сигналы первого и второго измерений с выхода интегрирующего устройства 33 поступают в разностное устройство 35, сигнал с которого поступает в делительное устройство36. Сюда же цоступает сигнал с узла 10 фотоприемного устройства, соответствующий смещению плоскости измерения на л2 . Сигнал с щелительного устройства 36,соответствующий параметрур д,/ , подается в множительное устройство 34. Сигнал с множительного устройства 34, пропорциональный измеренной аберрации, и сигнал с блока управления 12, пропорциональный координате луча в зрачковой плоскости, поступает на выход электронного блока. С выхода электронного блока они поступают на регистрирующее устройство 15. Формула изобретения 1. Фотоэлектрическое устройство для анализа оптического изображения, содержащее автоматическую оптикомеханическую развертывающую систему с механизмом перемещения ее сканирующей диафрагмы, установленное соосно с ней фотоприемное устройство с приемником излучения, чувствительная площадка которого совме- щена с плоскостью изображения испытываемой опти-чеекой системы, связанньй с ними электронный блок с подключенньлм к нему регистрирукядим

устройством и держатель испытываемых оптических систем, расположенный между автоматической развертывающей системой и фотоприемным устройством, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности дискретного перемещения cкaf иpyюJ eй диафрагмы в двух взаимно перпендикулярных направлениях, в нем фотоприемное устройство выполнено в виде позиционно-чувствительного фотоприемника с радиальным электрическим полем, расположенного в узле для установки чувствительной площадки фотоприемника в плоскости исследуемого изображения, а сканирующая диафрагма автоматической развертывающей системы закреплена в перемещающемся по двум координатам держателе, связанном с механизмом перемещения.

2. Устройство ПС п. 1, отличающееся тем, что механизм перемещения сканирующей диафрагмы, выполненный в виде двух последовательно действующих механизмов, сообщающих держателю сканирующей диафрагмы дискретные перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, содержит две передачи вийтгайка, соединяющие держатель сканирующей диафрагмы с шаговыми двигаIQ телями, коммутаторы которых подключены к блоку управления механизмом перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Великобритании № 1104684, кл. Ql Л, 1968.

2. Optica Acto( , 1972, voE. 19, № 2, с. 105-119.

26

9u2.

л

/cfc

-1