WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Рис.6. Типовые тест-объекты и характеристики качества изображения Подобная формула применяется и при определении разрешения идеальной оптической системы. Таким образом, разрешение глаза близко к идеальному, и оптические приборы, рассчитанные для работы с глазом, должны обладать дифракционно обусловленным качеством изображения [1].

Кроме того, к дифракционно ограниченным системам относятся объективы измерительных зрительных труб, космических и прецизионных телескопов, исследовательских и измерительных микроскопов, оптических систем для технологий микроэлектроники и лазерной записи информации.

2) Оптические системы с аберрационно-ограниченным качеством изображения. К этому классу относят оптические системы, структура и качество изображения для которых ограничены (обусловлены) в основном влиянием аберраций; эти аберрации либо не были устранены на этапе расчета оптической системы ("расчетные" аберрации), либо они обусловлены ошибками изготовления оптической системы и ее элементов.

Сюда относятся, например, оптические системы фото-, кино- и видеообъективов. Волновые аберрации систем этого класса могут быть в 5 раз выше, чем у систем с дифракционно-ограниченным качеством, при этом качество изображения, применительно к существующим приемникам изображения и большим полевым углам указанных приборов, считается вполне удовлетворительным.

3.1.1. Тест-объект "светящаяся точка" Первичный и наиболее универсальный тест - объект при исследовании качества изображения оптических систем - тест-объект типа "светящаяся точка". Он материализуется в виде круглой диафрагмы малого диаметра, освещенной проходящим светом (или ее уменьшенного изображения).

Изображение тест-объекта "светящаяся точка" есть пятно рассеяния или дифракционный кружок (рис.7).

Рис.7. Дифракционный кружок Рис.8. Функция рассеяния точки Наблюдение дифракционного кружка, формируемого исследуемой системой, позволяет обнаруживать аберрации системы с чувствительностью на уровне до 0,1.

Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тестобъекта "светящаяся точка", есть двумерная функция, носящая название функция рассеяния точки или ФРТ (рис.8). Экспериментально найденная ФРТ, характеризуя качество системы, позволяет учитывать все особенности волновой поверхности, сформированной системой, в том числе и характер микрорельефа оптических поверхностей, дефекты оптических материалов, блики, отклонение пропускания (или отражения) на зрачке, сдвиги изображения, возникшие при работе прибора и т.д. С помощью ФРТ в осредненной и мгновенной форме можно учитывать флюктуации оптических характеристик воздушного тракта, непрерывно изменяющиеся во времени по сложному случайному закону. ФРТ позволяет надежно аттестовать качество изображения системы с несколькими зрачками. ФРТ, являясь первичной характеристикой качества изображения, позволяет перейти к другим требуемым характеристикам качества изображения, таким как ФРЛ, ЧКХ, краевая функция, концентрация энергии и другие.

Тест-объект "светящаяся точка" моделирует важные для оптической измерительной практики объекты, такие как, например, небесные объекты типа звезд или орбитальные объекты военного и невоенного назначения.

3.1.2. Тест-объект "светящаяся линия" Тест-объект типа "светящаяся линия" материализуется в виде щелевой диафрагмы малой ширины, освещенной проходящим светом.

Изображение тест-объекта "светящаяся линия" есть пятно рассеяния в форме более или менее размытого изображения линии.

Понятие функции рассеяния распространяется и на изображение линии.

Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тестобъекта "светящаяся линия", есть двумерная (квазиодномерная) функция, носящая название функция рассеяния линии или ФРЛ.

(Квазиодномерной называют двумерную функцию, которая сохраняет свою форму при перемещении графика функции по одной из координат. Это свойство позволяет в большинстве случаев изображать квазиодномерную функцию в виде одномерной, как функцию только одной переменной. В дальнейших выпусках данного пособия, посвященных методам измерения характеристик качества изображения, мы рассмотрим методы, использующие фактическую двумерность ФРЛ).

Общий вид графика функции рассеяния линии показан на рис.9. Видно, что данная функция квазиодномерна.

Тест-объект "светящаяся линия" описывает часто встречающиеся в оптической измерительной практике объекты, например штрихи светящихся сеток и шкал приборов, спектральные линии.

3.1.3. Тест-объект "полуплоскость" Этот тест-объект материализуется в виде прямолинейного края непрозрачной заслонки (лезвия) на освещенном фоне. При необходимости характеризовать резкость деталей изображения, создаваемого исследуемой системой, рассматривают структуру изображения тест-объекта, представляющего собой прямолинейную границу черного и светлого полей, так называемого пограничного теста или полуплоскости.

Рис.9. Функция рассеяния линии Функция, описывающая распределение яркости в тест-объекте "полуплоскость" (рис.10), есть квазиодномерная функция скачка.

Рис.10. Распределение яркости в тестРис.11. Функция края объекте "полуплоскость" Изображение тест-объекта "полуплоскость" есть пятно рассеяния в форме более или менее размытого изображения края. Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тест-объекта “полуплоскость” есть двумерная (квазиодномерная) функция края или “краевая (переходная) функция” (рис. 11); ее график называется "пограничная кривая".

Резкость изображения характеризуется степенью наклона пограничной кривой. В то же время наклон пограничной кривой зависит от структуры пятна рассеяния. Чем более размыто пятно рассеяния, тем больше наклон пограничной кривой и хуже резкость изображения.

Тест-объект "полуплоскость" описывает часто встречающиеся в оптической измерительной практике объекты: например, край непрозрачного объекта на освещенном фоне, на который выполняются оптические измерительные наводки.

3.1.4. Тест-объект "линейная решетка" Материализуется в виде ряда темных (непрозрачных) прямолинейных параллельных штрихов на освещенном фоне. Функция, описывающая распределение яркости в тест-объекте "линейная решетка", есть квазиодномерная функция (рис.12). Линейную решетку, состоящую из ряда непрозрачных штрихов на освещенном фоне, в которой ширина темных штрихов равна ширине темных промежутков, называют “мира Фуко”. Такая решетка на практике находит наиболее широкое применение.

Изображение тест-объекта "линейная решетка" есть более или менее размытое изображения ряда темных штрихов.

Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тест-объекта "линейная решетка", есть двумерная (квазиодномерная) функция (рис.13). Ее интересная особенность состоит в том, что на средних и высоких пространственных частотах структура изображения такой решетки характеризуется распределением интенсивности, близким к синусоидальному.

При оценке объективов, строящих изображение протяженных объектов, большую роль играют способы, основанные на наблюдении и измерении изображения решетки переменной частоты. В частности, до настоящего времени используется визуальная оценка по различимости штрихов в изображении штриховой миры, построенном системой (рис.13).

Рис.12. Распределение интенсивности в Рис.13. Распределение интенсивности в тест-объекте типа "линейная решетка" изображении линейной решетки Критерием разрешающей способности при этом служит частота того поля миры, в изображении которого можно различить темные и светлые штрихи и определить их количество. Частотной характеристикой качества изображения служит также модуляционная передаточная функция, называемая иногда “частотно-контрастной характеристикой” (ЧКХ).

Тест-объект "линейная решетка" описывает часто встречающиеся в оптической измерительной практике объекты, например, такие как шкала, биссектор, периодические структуры на аэрокосмических снимках земной поверхности.

3.2. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВТОРОГО РОДА 3.2.1. Теневая картина (тенеграмма) Революцию в оптическом контроле и измерениях совершил Леон Фуко, впервые предложивший метод исследования деформаций волнового фронта, связанных с аберрациями оптических систем и ошибками оптических элементов.

Метод ножа Фуко и вообще все теневые методы доказали свою исключительную полезность для контроля оптических поверхностей.

Аберрации, дифракция света и ошибки изготовления оптических поверхностей вызывают отклонение лучей от теоретических траекторий и искажения волнового фронта. Основная идея теневых методов состоит в обнаружении боковых смещений таких лучей за счет их задерживания или модификации. Это осуществляется путем помещения специальных экранов в плоскость схождения пучков лучей от контролируемой оптической поверхности или системы.

Итак, для получения теневой картины деформаций исследуемого волнового фронта, соответствующих аберрациям оптической системы или ошибкам оптической поверхности, в плоскости схождения параксиального пучка лучей устанавливается перпендикулярно оптической оси непрозрачный экран с прямолинейным краем (так называемый нож Фуко), который наполовину перекрывает пятно рассеяния (рис.14а). Теневая картина может наблюдаться в плоскости экрана, расположенной за пятном рассеяния (рис.14b), или характер освещения исследуемой оптической поверхности наблюдают из зафокальной области.

При отсутствии ошибок зеркало, создающее изображение точечного тестобъекта, выглядит равномерно освещенным. Hаличие ошибок (например, краевая зона на рисунке 14) создает светотень, визуализирующую рельеф ошибок поверхности в результате срезания ножом пучков лучей от неверно заклоненных участков волновой поверхности. Верхняя область краевой зоны зрачка исследуемого фронта на рис.14 дает участки потемнения в теневой картине. Нижняя область краевой зоны дает участки максимальной освещенности в теневой картине. Пучки от участков волновой поверхности, имеющих правильную сферическую форму, перекрываются (а следовательно и ослабляются) лишь наполовину, и соответствующая зона зрачка имеет освещенность порядка 50%. Если нож помещают между идеальным сферическим зеркалом и его фокусом и перемещают по нормали к оптической оси, то теневая картина состоит из резко разделенных темной и светлой областей и первая из них перемещается по зеркалу в том же направлении, что и нож.

Если нож находится за фокусом, направление перемещения темного участка меняется на противоположное. При введении ножа точно в фокус зеркало затемняется внезапно и полностью, без каких-либо заметных движений теневой картины. Это является, кстати, очень точным способом определения положения центра кривизны. Если контролируемое зеркало не является сферическим, и каждый его участок имеет свой отличный радиус кривизны, при помещении ножа в различные точки относительно оптической оси соответствующая зона поверхности темнеет.

Рис.14. Принципиальная схема теневого метода Фуко У волнового фронта, распространяющегося от вогнутого зеркала с нарушениями формы, существуют участки с различными радиусами и центрами кривизны, и при перемещении ножа сразу или поочередно затемняются различные участки поверхности.

Для умозрительного представления процесса формирования теневой картины достаточно представить себе источник света, помещенный у противоположного ножу края поверхности деформаций волнового фронта (рис.

14c). При таком допущении качественная интерпретация теневой картины становится несложной.

Теневой метод применяется для контроля деформаций волнового фронта, вызванных ошибками и аберрациями в процессе изготовления оптических поверхностей, элементов и систем, особенно - крупногабаритных астрономических зеркал, при контроле свильности оптического стекла, исследованиях воздушных потоков и других явлений.

Основными достоинствами теневых методов являются их высокая чувствительность, простота схемной реализации и качественной интерпретации результатов. По простоте реализации метод Фуко является уникальным по сравнению с другими оптическими методами и может рассматриваться как первый по настоящему производственный способ, на основе которого были разработаны другие многочисленные варианты оптического контроля.

Теневой метод удобен для обнаружения поперечных аберраций системы.

В процессе контроля непрозрачным экраном, помещенным в плоскость теоретического схождения лучей, пересекают часть отраженного или дифрагированного света, в результате чего возникает теневая картина, указывающая на наличие погрешностей у контролируемой детали.

Достоинства метода:

1. Впервые получена возможность визуальных наблюдений малых деформаций волнового фронта на выходе из системы.

2. Высокая чувствительность, порядка 0,1.

3. Наглядность, позволяющая наблюдать характер искажения волнового фронта, место расположения, форму, величину, протяженность деформаций волнового фронта и ошибок обрабатываемой оптической поверхности.

Недостатки метода.

К недостаткам можно отнести не преодоленные до конца трудности количественной интерпретации теневого изображения, в результате чего метод в настоящее время применяется преимущественно для технологического контроля в форме качественных оценок состояния оптических поверхностей и материалов, а также уровня аберраций оптических элементов и систем. Итак, метод применяется в основном, как качественный метод оценки и используется при изготовлении оптических поверхностей на этапе формообразования, и иногда при контроле оптических элементов и систем.

3.3. Гартманограмма Основной принцип методов контроля оптической системы с применением экрана вблизи выходного зрачка заключается в том, что волновой фронт оценивается в ряде предварительно выбранных точек, а результаты сравниваются с теоретическим значениями. Методы базируются на законах геометрической оптики; идея заключается в том, что наличие у волнового фронта погрешностей в некоторой области приводит к фокусировке света в точке, отличающейся от теоретического фокуса, или к пересечению сфокусированных пучков лучей с осью в плоскости, не совпадающей с плоскостью для случая идеального фронта. В результате погрешности волнового фронта оценивают, определяя, в какой плоскости вдоль оптической оси пересекаются пучки лучей от некоторой области волнового фронта, и каково различие в положении этой плоскости и теоретическом положении точки пересечения лучей для идеальной волны.

Если волновой фронт оценивается несколькими лучами или пучками, перпендикулярными к нему, отклонение следов лучей от их идеальных положений можно зафиксировать на некоторой регистрирующей плоскости.

Идеальный волновой фронт при этом не обязательно должен быть точно сферическим, а в принципе может иметь любую форму, так как интерес представляют лишь отклонения от него.

В 1904 году Гартман опубликовал предложенный им метод, пригодный для точного количественного измерения различных аберраций, включая хроматические. Исходя из геометрического рассмотрения задачи, Гартман выделял диафрагмами пучки лучей, выходящих из системы, создающей в схеме контроля изображение тест-объекта "светящаяся точка" и, пользуясь внефокальными фотоснимками следов пучков лучей, определял точки пересечения отдельных лучей с оптической осью. Метод Гартмана, разработанный первоначально для измерения аберраций объективов, в последующие годы нашел эффективное применение при исследованиях качества различных оптических систем, в том числе - крупногабаритных астрономических зеркал.

В выходной зрачок исследуемой оптической системы устанавливается диафрагма Гартмана - непрозрачная заслонка с серией отверстий. Диафрагма пропускает отдельные пучки лучей, затем выполняется регистрация следов лучей во внефокальных зонах на фотографических пластинках и исследование направления хода лучей, связанное с искажениями волнового фронта. На каждой из пластинок регистрируется гартманограмма, на которой зарегистрированы световые пятна, то есть следы пучков лучей, которые пересеклись со светочувствительной площадкой приемника изображения.

Если волновой фронт не имеет деформаций, расположение пятен гартманограммы соответствует расположению отверстий на диафрагме Гартмана. Если имеется деформация волнового фронта, например такая как на рис.15, то крайние пятна на 1-ой пластине сгруппируются на краю, а на 2-ой они сдвинутся к центру. Если измерить расстояние между пятнами, и если известно расстояние до пластин, из подобия треугольников можно определить точки схождения лучей и пересечения ими оптической оси.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.