Магістр Вдовиченко С.В.

Національний технічний університет України „ Київський політехнічний інститут ”, м. Київ, Україна

Стендова апаратура для контролю якості зображення інфрачервоних об’єктивів

Критерії оцінки якості зображення інфрачервоних об’єктивів

Стрімкий розвиток та застосування інфрачервоних (ІЧ) оптичних систем в вимірювальній, навігаційній та космічній техніці для отримання точної та детальної інформації про об’єкт спостереження супроводжується проблемою передачі високоякісної інформації через оптичну систему (ОС), та підвищення якості її зображення. Такі системи передбачають використання об’єктивів з високою, майже дифракційною якістю зображення. Для контролю якості таких об’єктивів застосовують атестаційні стенди. Найбільш повно оптична система характеризується оптичною передавальною функцією (ОПФ), а саме її модулем модуляційною передавальною функцією (МПФ) та її аргументом, функцією передачі фази (ФПФ).

МПФ характеризує здатність ОС передавати різноманітні просторові частоти і дозволяє отримати інформацію про амплітудні зміни , внесені ОС в просторово-частотний спектр зображення об’єкта. В математичному представленні МПФ являє собою модуль ОПФ, отриманої шляхом перетворення Фур’є від функції розсіювання точки ФРТ або лінії ФРЛ, та фактично , є імпульсним відгуком ОС. Первинною інформацією для отримання МФП є ФРЛ S(x'), що отримується шляхом нормування розподілу освітленості в зображенні тест-об’єкта . Отримана функція є набором дискретних значень, взятих через період Т. Величина Т вибирається на підставі теореми Котельникова і повинна задовольняти наступній умові:

де — максимальна просторова частота, що передається контрольованим об'єктивом. У разі нескінченного видаленого предмету вона визначається як :

де D і — відповідно діаметр вхідної зіниці і фокусна відстань контрольованого об'єктиву, — довжина хвилі випромінювання.

Оскільки ФРЛ задається кінцевим числом дискретних відліків і представлена N вибірками, перетворення Фур’є виражатиметься також в дискретній формі :

При розрахунку дискретні значення просторових частот відповідні дискретним відлікам сигналу, вибирають на основі співвідношення :

В даних формулах k=0,l,2...N-l — номер відліку в масиві ФРЛ, т=0,1,2... — номер дискретного значення просторової частоти.

Підставляючи в формулу Фур’є перетворення отримуємо :

Даний вираз містить в собі амплітудну та фазову складові ОПФ. Для знаходження МПФ розкриваємо вираз по формулі Ейлера і виділяємо з нього дійсну і уявну складові:

Визначаючи з виразів модуль оптичної передавальної функції і нормуючи його на нульовій частоті (т—0), отримуємо остаточний вираз для ФПМ, що отримується по виміряній ФРЛ:

Формула є вірною в тому випадку, якщо за тест-объект для вимірювання ФРЛ береться ідеальна нескінченно тонка лінія. Реально ж для її імітації використовується щілиста діафрагма кінцевої ширини, і тому фактично здійснюється вимірювання просторово-частотного спектру її зображення, сформованого випробовуваним об'єктивом.

Щілинна діафрагма може бути описана прямокутною функцією. Просторово-частотний спектр її зображення, сформований випробовуваним об'єктивом, визначається по формулі:

де d – ширина щілинної діафрагми, - фокусна відстань випробуваного об’єктива, - фокусна відстань об’єктиву коліматору.

Тоді вимірювана МПФ об’єктиву визначається наступним чином :

Стендова апаратура для вимірювання ОПФ

Для найкращого визначення якості зображення кожного об’єктиву потрібно правильно підібрати вимірювальний стенд, що зможе задовольнити вимогам точності, габаритам випробуваного об’єктиву, спектральному діапазону та іншому. Так, стендова апаратура, для вимірювання МПФ, як правило складається з ІЧ коліматору з тест-об’єктом, фотоприйомного блоку, автоматичних приводів для його переміщення, керуючої автоматики та ЕОМ. Але для різних параметрів вимірювального об’єктиву існують стенди, здатні з максимальною точністю виміряти МПФ у потрібному спектральному та частотному діапазоні, та для відповідних конструктивних параметрів.

Стенд дл визначення МПФ, призначений для контролю якості зображення об’єктивів у ІЧ спектральному діапазоні від 2 до 15 мкм. Він дозволяє атестувати об’єктиви з фокальною відстанню мм. Його перевагою є визначення сагітальних та меридіональних аберацій без повороту джерела випромінювання. Це досягається за допомогою дзеркального блоку повороту зображення. Також, не менш важливою перевагою даного стенду є використання в ньому дзеркальної оптики, яка має тільки відбиваючі поверхні, що дає можливість використовувати стенд для видимої області спектру.

Принципова оптична схема складається : 1- джерело випромінювання (глобар); 2- зеркальний конденсор; 3- модулятор; 4- щілина; 5- дзеркальний коліматор; 6- об’єктив що досліджується; 7- мікрооб’єктив; 8- дзеркало; 9- пластина з синусоїдальними масками; 10- мікрооб’єктив; 11- приймач випромінювання; 12- реєструючий блок;13- телевізійна камера. Джерелом випромінювання є глобар, конструкція якого передбачає, що ІЧ випромінювання проходить в здебільшого в одному напрямку. Для виділення потрібного спектрального діапазону перед тест об’єктом встановлено світлофільтр. Щоб забезпечити виявлення асферичних аберацій контрольованих об’єктивів запропоновано два варіанти випромінювання глобара, а точніше випромінювання у двох взаємно перпендикулярних площинах. Для цього передбачено в схемі блок повороту зображення джерела випромінювання. Враховуючи, що чутливим елементом фотоприймального пристрою є піроелектричний приймач, застосовано растровий модулятор, який живиться від двигуна постійного току і модулює потік з частотою 75 Гц. Промодульований потік з частотою 75 Гц потрапляє на відбиваючу грань призми, після відбивається від дзеркала, а потім від другої відбиваючої грані призми і потрапляє на дзеркальний конденсор. Кут між відбиваючими гранями призми становить . Застосування такого прийому досить зручне, так як дозволяє нерухомо закріплювати глобар, а поворот здійснювати зображенням джерела випромінювання.

Для контролю якості зображення крупно габаритних об’єктивів запропоновано унікальний стенд. Він дозволяє у ближньому та середньому ІЧ спектральному діапазоні атестувати об’єктиви з фокусною відстанню та діаметром вхідної зіниці до 600 мм. Це досягається використанням у ньому дзеркального коліматору діаметру до 1 м з м та мікрооб’єктиву з збільшенням. При цьому даний стенд працює з похибкою 0,03 одиниці контрасту.

Принципова оптична схема складається з : 1 - джерело випромінювання, 2 - конденсор, 3 - світлофільтри, 4 - точкова діафрагма, 5 - дзеркало, 6 - контрольована ОС, 7 - проекційний мікрооб'єктив, 8 - відкидне дзеркало, 9 – пзс-лінійка , 10 - окуляр, 11 - параболічне дзеркало коліматора .

Установка виконана у вигляді функціональних закінчених блоків і може бути змонтована на будь-якій оптичній лаві, параметри якої визначають діапазон діаметрів і фокусних відстаней контрольованих об'єктивів. Як тест-об’єкт застосовується щілинна діафрагма з похибкою розкриття 1 мкм, що підсвічується через асферичний конденсор лампою з плоским тілом накалу. Цим забезпечується рівномірний розподіл освітленості в площині тест-об’єкт. Аналіз зображення здійснюється безпосередньо фотоприймачем – ПЗС-лінійкою, що встановлюється перпендикулярно щілинній діафрагмі. За допомогою відкидного дзеркала, зображення тест-об’єкту може бути направлене на ПЗС-лінійку (фотоелектричний канал) або у фокальну площину окуляра (візуальний канал). Сформоване випробовуваним об'єктивом зображення щілинної діафрагми переноситься в площину ПЗС-лінійки із збільшенням за допомогою проекційного об'єктиву. У створеній установці для цієї мети використовується апохроматичний мікрооб'єктив із збільшенням і апертурою 0,65. Це дозволяє перекрити по апертурі номенклатуру контрольованих об'єктивів.

Знімання первинної інформації здійснюється шляхом опиту ділянок ПЗС-лінійки і не вимагає застосування механічних вузлів. Час знімання визначається періодом опиту ділянок ПЗС-лінійки і не перевищує 10 — 15 мілісекунд.

З метою зниження впливу вібрацій в кожній площині аналізу знімається серія масивів, з яких вибирається один, у якого значення МПФ на реперній частоті максимальне (вібраційна дія носить випадковий характер і приводить до зміни ФРЛ). Після обробки вибраного масиву і отримання значень МПФ на дискретних частотах методом найменших квадратів будується крива МПФ.

Іншим альтернативним стендом для контролю якості зображення об’єктивів в ближній та середній ІЧ області є стенд з пірокамерою, в якому механічне сканування зображення замінюється на електронне. Це дозволяє більш точно визначити ОПФ атестаційних об’єктивів.

Пристрій працює наступним чином. За допомогою джерела випромінювання 1, конденсора 2, модулятора 3, фотометричного клину 4, опромінюють тест-об’єкт 5, що є регульованою по ширині прямокутною щілиною. Коліматорним об'єктивом 6 проектують зображення тест-об’єкта в нескінченність. У паралельному пучку променів за об'єктивом коліматора 6 встановлюють контрольований об'єктив 7, у фокальній площині якого отримують зображення щілини. Це зображення за допомогою мікрооб'єктиву 8 проектують на чутливу мішень піровидиконової передавальної трубки 10.

Для отримання на виході піровидикону сигналу з найбільшим відношенням сигнал/шум застосовують модуляцію з нерівними напівперіодами модуляції. Робота модулятора синхронізована кадровими синхроімпульсами, що поступають з другого виходу пірокамери 10 на схему синхронізацій 13. За допомогою схеми синхронізації управляють модулятором 3. Тривалість напівперіодів модуляції керується за допомогою блоку 12 управлінь і обробки даних у вигляді цифрового коду. Одночасно таким же чином поступає цифровий код, який визначає, в якому кадрі у фазі модуляції, при якій модулятор відкритий, проводити введення сигналу, відповідного поперечному перетину щілини, в блок 12 управлінь і обробки даних. З урахуванням цього схема синхронізацій 13 виробляє строб-імпульс, що поступає на вхід АЦП 11. Телевізійний сигнал з пірокамери 10 також поступає на вхід АЦП.

В новітніх розробках стендів, працюючих по такій схему, застосовують також поворот тест-об’єкта перпендикулярно до оптичної вісі. Це дозволяє більш точно визначати МПФ на краях поля зору досліджуваного об’єктиву.

Висновки

При проведеному аналізі стендів для контролю якості зображення ІЧ об’єктивів були приведенні 3 схеми побудови стендів, які використовуються для контролю об’єктивів з різними конструктивними параметрами та габаритами. Кожний стенд має свої переваги і дає додаткові можливості у більш детальнішому визначенні ОПФ.

Так перша модель стенду дає можливість додатково визначення сагітальних та меридіональних аберацій без повороту джерела випромінювання та використання даного стенду не лише в ІЧ, але і у видимому діапазоні. Проте до недоліків даної схеми можна віднести похибку встановлення та юстування дзеркального блоку повороту зображень

Друга схема стенду дає змогу найкраще визначити МПФ крупно габаритних об’єктивів. Проте через громіздкість конструкції має підвищений рівень вібрації та нестабільну температуру та вологозахищеність.

Третя схема стенду дозволяє проводити електронне сканування зображення, проте має недосконалу систему обчислення результату та має певні втрати в визначенні МПФ на краях поля зору досліджуваного об’єктиву.