WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ И КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ В.К.Кирилловский ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ (Часть 2. Основы теории чувствительности оптических измерительных наводок. Роль оптического изображения.) Учебное пособие Санкт-Петербург 2000 2 УДК 535.317.2 В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 2. Основы теории чувствительности оптических измерительных наводок. Роль оптического изображения. Учебное пособие. Спб. ГИТМО(ТУ). 2000.-..с.

Цель пособия - ознакомить студентов с теоретическими основами и методами оптических измерений. Изучаются классические и современные методы измерения параметров и характеристик оптических систем и их элементов, их аберрации и качества даваемого ими изображения. Пособие состоит из серии выпусков. В Части 2 рассматриваются общие вопросы, роль структуры оптического изображения и вопросы теории чувствительности оптических измерительных наводок.

Одобрено на заседаниии кафедры Прикладной и компьютерной оптики 30.11.2000 г., протокол N3.

3 ВВЕДЕНИЕ В основе современной системы познания материального мира лежит измерение. Закономерные связи, находимые в природе, обнаруживаются чаще всего в численной форме, в результате количественных оценок наблюдаемых объектов и явлений. От развития методов и средств исследований и измерений, от пределов точности и чувствительности, достигаемых в процессе измерений, зависит достоверность описания исследуемых объектов и, в конечном итоге, адекватность модели окружающего нас мира.

Из всех известных методов измерений оптические измерения относятся к наиболее точным. Пороговая чувствительность и точность классических методов оптических измерений находится на уровне длины волны применяемого излучения, которая для видимого (светового) излучения составляет величину порядка 0.5 мкм. Современные технологии, в том числе электронные и компьютерные, и другие научно-технические достижения дают возможность повышения точности и чувствительности еще в десятки раз. Труднозаменимым свойством результатов оптических измерений и исследований является их наглядность, надежность и убедительность.

Отсюда значительная и все возрастающая роль оптических измерений в большинстве областей естественнонаучных и научно-технических исследований, в технической, медицинской и биологической практике.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Сложный процесс создания современной оптической системы может быть разделен на два этапа: проектирование и изготовление. На первом этапе производится расчет параметров системы и расчетная оценка качества изображения, которое она может обеспечить. При изготовлении стремятся получить реальную систему с параметрами, насколько возможно близкими к расчетным. Полученное качество изображения оценивается средствами оптических измерений.

Рис. Таблица 1.

Оптический Измеряемый параметр Измерительный прибор элемент Оптическое Показатель преломления и Рефрактометр стекло дисперсия Оптическое Неоднородность Установка для измерения стекло неоднородности Оптическое Свильность Установка для измерения стекло свильности Линза Радиусы кривизны Кольцевой сферометр или оптических поверхностей автоколлимационный микроскоп или установка по методу колец Ньютона Линза Толщина Толщиномер, контактный длинномер или оптический длинномер Объектив Воздушные промежутки Установка для измерения воздушных промежутков Объектив Центрировка Центрировочный прибор Объектив Фокусное расстояние Оптическая скамья Объектив Размеры зрачков Оптическая скамья Объектив Рабочий отрезок Оптическая скамья Объектив Виньетирование Оптическая скамья Объектив Равномерность Установка измерения освещенности поля равномерности освещенизображения ности поля Объектив Аберрации Оптическая скамья или интерферометр Объектив Качество изображения Оптическая скамья В качестве примера рассмотрим схему фотографического объектива (рис.1), находящегося в процессе изготовления. Дадим таблицу основных параметров объектива и его элементов, требующих измерения в процессе производства и эксплуатации (Табл.1).

ЭТАПЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ В процессе оптического измерения обобщенно можно указать следующие основные этапы (рис. 2):

1. Создание оптического изображения, связанного с измеряемыми параметрами объекта (назовем его оптико - измерительным изображением).

2. Определение (измерение) координат элементов изображения.

3. Обработка результатов измерения изображения с целью определения необходимых параметров объекта.

4. Анализ погрешностей измерений с целью определения точности полученных результатов.

Рис.В качестве примера рассмотрим одну из простейших оптических измерительных схем. Длина элемента малого объекта измеряется при помощи визирного измерительного микроскопа (рис. 3).

(Визирный измерительный микроскоп служит для совмещения визирной сетки, расположенной в фокальной плоскости его окуляра, с заданными точками измеряемого объекта).

Рис. 1 - объект, 2 - объектив микроскопа, 3 - измерительная шкала, совмещенная с плоскостью изображения объекта, 4 - изображение объекта, 5 - окуляр, 6 - глаз оператора измерений.

Приведенная схема обеспечивает все перечисленные этапы процесса оптического измерения.

Измерение есть процесс сравнения измеряемой физической величины (в явной или неявной форме) с единицей этой величины, хранимой применяемым средством измерения.



В приведенной схеме измерительный микроскоп хранит единицу измеряемой величины (пространственной протяженности или длины) в виде отградуированных делений точно изготовленной шкалы. Единицей длины в принятой у нас метрической системе является метр. Измерительная шкала за счет ее изготовления обеспечивает точное воспроизведение долей метра - миллиметров и их долей.

Рис. Итак, пользуясь измерительной шкалой (окуляр - микрометром), совмещенной с изображением объекта, мы считываем протяженность между интересующими нас точками объекта (например, l1 и l2, рис. 4). Паспортной характеристикой микроскопа служит поперечное увеличение V в получаемом изображении объекта.

В данном примере можно проследить все указанные в обобщенной схеме этапы оптического измерения:

объектив микроскопа 2 строит увеличенное изображение объекта 1 (этап 1), координаты точек изображения, связанные с требуемыми точками объекта измеряются при помощи шкалы (этап 2), результаты измерения получают (этап 3) обработкой измерительных отсчетов для определении протяженности объекта L об с учетом паспортной характеристики (увеличения V) объектива микроскопа:

L об =( l2 - l1 )/ V, погрешности определяют обработкой серии измерительных отсчетов (данных) с применением аппарата математической статистики (этап 4).

ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ Если обобщенно рассмотреть совокупность традиционных методов контроля и исследования оптических систем и элементов, то можно убедиться в том, что эти методы, в основном, сводятся к регистрации структуры волнового фронта, сформированного системой (деталью) в схеме контроля, и исследованию этой структуры, которая визуализируется в форме изображения того или иного вида (назовем его оптико-измерительным изображением), например, в виде интерференционных полос, теневой картины, совокупности пятен, составляющих диаграмму Гартмана, дифракционных изображений светящейся точки или линии и т.д.

Обобщенная схема представляет собой точечный источник, от которого распространяется сферический волновой фронт. Волновой фронт, преобразованный исследуемым объектом в измерительной схеме, вписан в выходной зрачок. При изменении формы сферического волнового фронта изображение может удаляться, приближаться, поперечно перемещаться Исследуемые явления вносят искажения W в волновой фронт, которые меняют структуру оптического изображения. Если искажений нет, то волновой фронт должен быть сферическим. Структура волнового фронта, характеризующая качество исследуемой системы, может быть представлена функцией пространственных координат на зрачке и на предмете, зависящей (при наличии хроматизма) от длины волны излучения.

Рис. 5. Обобщенная схема комплекса методов оптического контроля и исследований Рассмотрим волновой фронт, сформированный исследуемым оптическим элементом в схеме контроля (рис.5).

Здесь y’’ и z’’ - координаты выходного зрачка оптического элемента в схеме контроля, y' и z' - координаты в плоскости изображения тест-объекта, W - отклонения формы волнового фронта;

I - относительная освещенность в изображении тест-объекта.

Исследование оптического элемента осуществляется, главным образом, в двух зонах:

1) В зоне зрачка 1, где объектом исследования являются отклонения формы фронта волны от формы, соответствующей требуемому качеству изображения (чаще всего - от сферической формы). Здесь формируется оптическое измерительное изображение второго рода, обычно не подобное объекту, но несущее информацию о характере волнового фронта в части его фазовых деформаций, об аберрациях исследуемых оптических систем и элементов и ошибках формы оптических поверхностей.

2) В зоне изображения 2, где объектом исследования служит двумерное распределение освещенности в плоскости изображения, характеризующее концентрацию энергии в изображении и полноту передачи информации о структуре изображаемого объекта. Здесь формируется оптическое измерительное изображения первого рода, подобное объекту и несущее информацию в первую очередь о его геометрических параметрах и внешней структуре.

Сведения о структуре изображения, построенного оптической системой, могут быть получены прямым и косвенным путями.

Способы прямой оценки состоят в наблюдении изображения тестобъекта, сформированного при помощи исследуемой системы, и измерении фотометрической структуры этого изображения.

Способы косвенные состоят в измерении структуры деформаций волнового фронта в зоне 1 (зоне зрачка) на выходе оптической измерительной схемы и последующем вычислении на основе полученной карты волнового фронта функций, описывающих структуру и качество оптического изображения.

Преимущества косвенных методов состоят в том, что они позволяют по известной топографии отклонений фронта волны рассчитать большинство характеристик качества изображения. Косвенные методы дают возможность определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения. К ограничениям косвенных методов следует отнести высокую трудоемкость расшифровки данных, сложный математический аппарат обработки данных. Кроме того, при таких оценках не учитывается влияние на качество изображения рассеянного света и малых дефектов оптических поверхностей и сред.

Все без исключения факторы, участвующие в формировании структуры реального оптического изображения, учитываются прямыми методами оценки качества изображения.





ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО РОДА ИЗОБРАЖЕНИЯ ПЕРВОГО РОДА. ТИПОВЫЕ ТЕСТ - ОБЪЕКТЫ И ФУНКЦИИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ИХ ИЗОБРАЖЕНИЯ Процесс выбора тест-объектов для исследования качества оптических систем и элементов складывался исторически; при этом определился ряд классических тест-объектов и математический аппарат функций, которые описывают структуру изображений этих тест-объектов и служат характеристиками качества изображения.

С развитием оптической промышленности выработан ряд типовых тест - объектов для оценки качества изображения (рис.6).

Типовые тест-объекты (точка, линия, полуплоскость, решетка) связаны с часто встречающимися в оптической практике (наблюдение, исследование, измерение) элементами реальных объектов.

В данной таблице представлены наиболее часто применяемые тест объекты, изображения тест объектов и двухмерные функции, описывающие распределение интенсивности в изображении тест объекта.

Рис.6.

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" (рис.7) есть пятно рассеяния или дифракционный кружок.

Рис.7.

Наблюдение дифракционного кружка, формируемого исследуемой системой, позволяет обнаруживать аберрации системы с чувствительностью на уровне до 0, 1.

Рис.8.

Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тест-объекта "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 требуемым характеристикам качества изображения, таким как ФРЛ, ЧКХ, краевая функция, концентрация энергии и другие.

Тест-объект "светящаяся точка" описывает часто встречающиеся в оптической измерительной практике объекты: небесные объекты типа звезд и квазаров, орбитальные объекты военного и невоенного назначения.

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

Функция, описывающая распределение яркости в тест-объекте "светящаяся линия", есть квазиодномерная импульсная функция.

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 тест-объекта "светящаяся линия", есть двумерная (квазиодномерная) функция (рис.9), носящая название функция рассеяния линии или ФРЛ.

Рис.9.

Общий вид графика функции рассеяния линии показан на рис…, видно, что данная функция квазиодномерна.

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

Тест-объект "полуплоскость" 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.

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

Рис.Изображение тест-объекта "полуплоскость" есть пятно рассеяния в форме более или менее размытого изображения края.

Рис.Функция, описывающая распределение освещенности в изображении тестобъекта полуплоскость есть двумерная (квазиодномерная) функция края или “краевая 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.

Тест-объект "линейная решетка" материализуется в виде ряда темных (непрозрачных) штрихов на на освещенном фоне. Функция, описывающая распределение яркости в тестобъекте"линейная решетка", есть квазиодномерная функция (рис.12).

Рис.Изображение тест-объекта "линейная решетка" есть более или менее размытое изображения ряда темных (непрозрачных) штрихов (рис.13).

Pages:     || 2 | 3 |










© 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.