Способ контроля передаточной функции оптической системы и устройство для его осуществления

,Ц САНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ А.Великотный а я к л и мо атиз изации к Цель изо с -ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРОО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Ленинградский институт точнмеханики и оптики(56) Шульман М.Я. Измерение переточной функции оптических системЛ.: Машиностроение, 1980, с. 129 Авторское свидетельство СССРпо заявке У 3754109/24-10,кл. С 01 М 11/00, 13.06.84.(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЕРЕДАТОЧНОЙФУНКЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относитс но-измерительной технике быть использовано для ав ванного контроля и пасп честна оптических систе ретения - повышение чувствите ти, достоверности измерений и информативности контроля. Под воздействием кодов, поступающих с формирователя 14 управляющих сигналов, генератор 15 синусоидальных колебанийформирует заданные значения временной частотной модуляции, соответствующие пространственной частоте. Источник 16 тока изменяет частоту импульсов, подаваемых на модулятор 2,Сигнал с анализатора 8, проходя через блок 11 предварительной обработки и формирователь 12 импульсов, поступает на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которогоприходит сигнал с анализатора 9,прошедший соответствующие каналы блока 11 предварительной обработки иформирователя 12. С выхода фазовогодетектора 13 сигнап, пропорциональный разности сравниваемых сигналов,поступает через фильтр 20 нижних частот на регистрирующий прибор 23, гдефиксируется информация о функции передачи фазы. 2 с. и 1 з,п. ф-лы, 2 ил.55 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано на предприятиях оптико-механической промышленности для автоматизированного контроля и 5 паспортизации качества оптических систем различного назначения путем измерения полихроматической оптической передаточной функции.Цель изобретения - повышение чув- О ствительности, достоверности измерений, и информативности контроля,На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего15 способ, на фиг. 2 - схема расположения приемных анализаторов.Устройство содержит источник 1 излучения, электрохромный модулятор 2, светофильтр 3, конденсатор 4, тест-объект 5, объектив 6, микрого объектив 7, два линейных прибора с переносом заряда 8 и 9, синхрогенератор 10, блок 11 предварительной обработки, формирователь 12 импульсов, фазовый 13 детектор, формирователь 14 сигналов управления, генератор 15 синусоидальных колебаний, управляемый источник 16 тока, управляемый ключ 17, схему 18 сравнения, два фильтра 19 и 20 нижних частот, устройство 2 1 компенсации запаздывания, электродвигатель 22, регистрирующий прибор 23. Источник 1 модулированного излучения выполнен в виде лампы накаливания и установленного за ней электрохромного модулятора 2, который подключен к выходу управляемого источника 16 тока. Тест-объект 5 выполнен в виде узкой щелевой диафрагмы и установлен в фокальной плос 40 кости объектива 6, соосно с которым установлен контролируемый объектив. За контролируемым объективом расположен микрообъектив 7, предметная плоскость которого совмещена с задней фокальной плоскостью контролируемого объектива.В плоскости изображения микрообъектива 7, оптически сопряженной с плоскостью тест- объекта 5 и являющейся плоскостью анализа, установлены приемные анализаторы 9 и 8. При этом линейка фоточувствительных элементов приемного анализатора 9 параллельна соответствующей линейке приемного анализатора 8 и обе линейки перпендикулярны направлению расположения тест-объекта 5. Кроме того, приемный анализатор 9 установлен с поворотной симметрией относительного приемного анализатора 8, т.е, повернут относительно последнего на 180 вокруг оптической оси микрообъектива 7, при этом считывающие узлы приемных анализаторов 8 и 9. находятся пор разные стороны изображения тест-объекта 5. Приемные анализаторы 8 и 9 подключены каждый к первому выходу синхрогенератора 10. Выход анализатора 8 подключен к второму входу блока 11 предварительной обработки 11, а выход анализатора 9 подключен к дополнительному входу блока 11 предварительной обработки, первый вход которого соединен с вторым выходом синхрогенератора 10. Выход блока 11 предварительной обработки подключен к соединенным между собой входу первого фильтра 19 нижних частот и регистрирующему прибору 23, а также к входу формирователя 12 импульсов. Дополнительный выход блока 11 предварительной обработки соединен с дополнительным входом формирователя 12 импульсов, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 13, а дополнительный выход подсоединен к второму выходу фазового детектора 13, Выход фазового детектора 13 соединен через второй фильтр 20 нижних частот с регистрирующим прибором 23, а с входом управляемого ключа 17 и дополнительным входом формирователя 14 сигналов управления. Вход формирователя 14 сигналов управления подсоединен к третьему выходу синхрогенератора 1 О, первый выход соединен с управляющим входом управляемого ключа 17, а второй выход формирователя 14 сигналов управления соединен с входом генератора 15 синусоидальных колебаний. Выход последнего подключен к второму входу управляемого источника 16 тока, выход которого соединен с электрохромным модулятором 2. Первый вход управляемого источника 15 тока подключен к выходу схемы 18 сравнения, на второй вход которой подано опорное напряжение Ц а первый вход соединен с выходом Фильтра 19 нижних частот, Выход управляемого ключа 17 подключен к электродвигателю 22,При реализации устройства в качестве источника 1 излучения использована галогенная лампа накаливания. В качестве электрохромного модулято 1318821ра использовалось электрохромное устройство модуляции полихроматического светового потока на основе элект. рохромного материала ЭЗИ.В качестве светофильтра использовано сочетание цветного оптического стекла (СЗС 17 + ЖС 11). Микрообъектив 7 подобран из числа серийно выпускаемых промышленностью, при этом численная опертура должна превышать выходную апертуру контролируемого объектива, а увеличение должно обеспечивать согласование максимальной анализируемой пространственной частоты в иэображении тест-объекта, в качестве которого использована узкая (порядка 10 мкм) и длинная щель, и размера фоточувствительных элементов 8 и 9. Изображение щели вдоль должно быть больше расстояния между линей" 20 ками фоточувствительных элементов 8 и 9. Оба анализатора одинаковы и изготовлены на одной полупроводниковой пластине, эа счет чего технологически обеспечена идентичность их оптических и электрических параметров. Расстояние между осями фоточувствительных линеек 2 мм. Размер такой зоны, приведенной к плоскости тест-объекта, можно считать удовлетворяющим условию изопланатизма. При реализации устройства в качестве анализаторов использован прибор "Квант". Синхрогенератор 10 выполнен на интегральных микросхемах 561 серии и обеспе чнвает режим непрерывного следования тактовых импульсов и заданную постоянную скоростью движения зарядов 7 при отсутствии периода накопления, Формирователь 12 импульсов выполнен 4 О двухканальным на интегральных компараторах 521 СА 2. Блок предварительной обработки выполнен двухканальным на базе аналоговых ключей 590 КН 4 и операционных усилителей 544 УД 2. Ге с нератор синусоидальных колебаний реализован на интегральных микросхемах 561 серии, ЦАП 594, ПА 1 и преобразователе ток-напряжение 544 УД 2. В .качестве схемы 18 сравнения использована схема на операционном. усилителе 140 УД 8. Управляемый ключ 17 реализован на базе интегральной микросхемы 590 КН 5. Формирователь сигналов управления выполнен на основе микро схем 561 серии и содержит также детектор допусковой эоны на сдвоенном компараторе 521 СА 1. Источник опорного напряжения, которое подается на схему сравнения, выполнен на основе прецизионного стабилитрона Д 818 Е. В качестве исполнительного электродвигателя использован электродвигатель постоянного тока с регулятором скорости. Устройство 2 1 компенсации транспортного запаздывания, на котором установлены элементы 8 и 9, механически связано с валом электродвигателя 22.Устройство для осуществления способа работает следующим образом.Источник 1 излучения с помощью светофильтра 3 и конденсора 4 освещает тест-объект 5. Коллиматорный объектив 6, контролируемый объектив, установленный на позицию контроля,и микрообъектив 7 формируют изображение тест-объекта 5 одновременно на двух фоточувствительных поверхностях анализатора 8 и 9. Изображение тест- объекта 5, который можно рассматривать как вторичный излучатель, имеет пространственное распределение освещенности вдоль направления движения фоточувствительной поверхности на первом 8 и втором 9 анализаторах: Е(х) и Е(-х) соответственно в виде функции рассеяния линии А,(х), поскольку фоточувствительчые поверхности движутся в противоположных направлениях перпендикулярно направлению расположения тест-объекта 5. При отсутствии модуляции светового потока источника 1 излучения и постоянной скорости движения фоточувствительной поверхности анализаторов 8 и 9, амплитуда сигналов на их выходах будет постоянной 0(с) = сопят, При этом величина зарядового .пакета по мере его непрерывного движения по освещенному участку фоточувствительной поверх - ности каждого анализатора возрастает в каждой точке на величину, пропорциональную значению освещенности в этой точке. С помощью такого режима работы анализаторов производится интегрирующее считывание значений освещенности изображения вдоль направления движения зарядов. Такой режим работы соответствует нулевой пространственной частоте И = О.1Уровень постоянного напряжения на выходе каждого анализатора зада - ется путем регулировки амплитудного пропускания электрохромнаго модулятора 2 с помощью подачи постоянного(с ы,) =К+КТ(И ) соя 27 И. х- - С(Х;)ФТ(М;)8(Ы;)3 О Т(И,)я 1 п 211 И, х- = К+ КТ(М ) ххсоя 2 НМ;хсоя(И)-я 1 п 2 Р И;хя 1 пч(И;) = = К1 + Т(И; ) соя 12 п 1; х - Ч (М; )3 (5) Выражение (5) показывает, что вид 35 электрического сигнала П с выходаанализатора 8 полностью соответствует математическому выражению оптической передаточной функции контролируемой оптической системы. Рассмотримтеперь вид сигнала Б(с,ы;) с выхода второго анализатора 9. Движениефоточувствительной поверхности у анализатора осуществляется в противоположном направленииУ (с ы) = К 1 ++ Т(И,) соя 2 иИ;х) + Г(И;)3 . (8)Полученные выражения (5) и (8) математически описывают реальные сигналыс анализаторов 8 и 9 соответственно.Однако эти выражения справедливылишь в том случае, если будут приняты специальные меры, исключающиеинструментальные погрешности.55При измерении функции передачимодуляции могут произойти случайныеизменения величины постоянной составляющей светового потока (например. сигнала смещения от управляемого источника 16 тока. Светофильтр 3 осуществляется согласование спектральных характеристик источника 1 излучения и анализаторов 8 и 9, Весь цикл из мерений функций передачи модуляции и фазы состоит иэ двух тактов, В первом такте формирователь 14 сигналов управления задает нижнюю пространственную частоту И (близкую к нулевой),1 О которой соответствует минимальное значение временной частоты сигнала генератора 15 синусоидальных колебаний, управляемого формирователем 14 сигналов управления. При этом с выхода уп равляемого источника 16 тока поступает униполярный ток, который управляет величиной амплитудного пропускания электрохромного модулятора 2 по закону у(с) = 1 + шсояы,с, где ш - глубина модуляции. При движении фоточувствительной поверхности ЛППЗ с постоянной линейной скоростью Ч временной частоте генератора синусоидальных колебаний 15, равной ыц, ко 25 торая адекватна в данном случае временной частоте амплитудной синусоидальной модуляции освещенности изобра женин, соответствует анализируемая пространственная частота И , котораянф определяется выражением И=и/2 йЧ, Если пространственный период Р = 1/Т анализируется за время Т, где Т представляет собой период изменения освещенности иэображения за счет амплитудной модуляции, то Р может быть определено как Р = ТЧ = Ч/с. Тогда И = 1/Р = Г/Ч = о/2 л Ч (1), Отсюда со/Ч = 2/1 И (Г - временная частота).Таким образом, пространственная частота И; определяется отношением временной частоты модуляции освещенности к линейной скорости. Ч движения фоточувствительной поверхности.Тогда сигнал Б, с выхода ЛППЗ 8 определяется выражением (при ш = 1)60Б(с,ю; )= К( А(х) с 1 х +ф -со(2)йгде К - постоянная преобразования.Распределение освещенности Е(х) в плоскости анализа представляет собой функцию рассеяния линии А (х) контролируемой оптической системы. 821 6В выражении (2) первый интеграл описывает сигнал Пна нулевой пространственной частоте и при введении нормировки равен единице. Второй и третий интеграл есть не что иное как косинус-преобразование Фурье С(И) и синус-преобразование Фурье Б(И) функции А,(х) соответственно. С учетом соотношения (1) и равенства Ч г. = х выражение (2) можно переписать в виде Б, (С, м, ) = К 1 + соя 27 ИС (И)я 1 п 2" 1 х 8(1)3 (3) По определению модуль комплексной ОПФ есть ФПМ, которая определяется как Т(И) = 1 С(И)3 + ГБ(И)1, а аргумент у(И) есть ФПФ и определяется из соотношений:8(Ы) С (И)я 1 п с(И) = - ; соя(И)--- (4)Т(11)Т(И) Умножая и деля выражение (3) наТ(И), получим55 при изменении коэффициента пропускания контролируемой оптической системы). Для исключения влияния величины постоянной составляющей сигнал Б,после блока 11 предварительной обработки непрерывно поступает через фильтр 9 нижних частот на вход схемы 18 сравнения, на второй вход которой непрерывно поступает сигнал Бот внешнего источника опорного напряже О ния. Схема 18 сравнения производит сравнение этих двух сигналов, в случае изменения величины постоянной составляющей сигнала 0 вырабатывает разностный сигнал, который подается 15 на первый вход управляемого источника 16 тока. При этом на выходе источника 16 тока изменяется значение постоянной составляющей тока, питающего электрохромный модулятор 2, который 20 изменяет коэффициент пропускания до получения сигнала рассогласования с выхода схемы 18 сравнения, равного нулю. Наличие в устройстве цепи отрицательной обратной связи дает возмож 25 ность произвести точную нормировку амплитуды сигнала П и тем самым повысить точность измерений ФПИ. В те.чение первого такта предлагаемое устройство с целью повышения достовер ности измерений ФПФ производит дифференциальную компенсацию транспортного запаздывания, которое имеет место в ЛППЗ из-за конечной скорости переноса зарядов, Величина транспортного запаздывания зависит от местоположения (координаты х) изображения на фоточувствительной поверхности.Чтобы уравнять величину транспортного запаздывания сигналов У и Б, 40 на нижней пространственной частоте формируют управляющий сигнал. Для этого сигналы с ЛППЗ подают на двухканальный блок 11 предварительной обработки, который осуществляет предварительное усиление сигналов и двойную коррелированную выборку. Двойная коррелированная выборка повышает отношение сигнал-шум и устраняет помехи, обусловлеяные прохождением50 и наложением на полезные сигналы импульсов синхрогенератора 10. С выходов блока предварительной обработки сигналы П и Б и каждый по своему каналу постуйают в двухканальный формирователь 12 импульсов, который производит нормализацию амплитуды сигйалов Б и Б и осуществляет формирование импульсов прямоугольнойформы, что способствует повышениюточности фазового детектирования иизмерения ФПФ, С выходов формирователя импульсов сигналы Б и Ц подаются на первый и второй вход фазовогодетектора 13, который имеет фазовращатель 90 . При этом с выхода фазового детектора 13 поступает сигнал,амплитуда которого пропорциональнавеличине разности фаз сравниваемыхсигналов У, и И . Величина разностифаэ на нижней пространственной частоте (близкой к нулевой) в случаеправильной настройки должна быть равна нулю. в случае, если разность фазна указанной пространственной частоте не равна нулю, то это означает,что необходимо уравнять величины запаздывания сигналов Б и У. Дляэтого с выхода фазового детектора 13через второй фильтр 20 нижних частотсигнал рассогласования поступает надополнительный вход формирователя 14сигналов управления и через управляемый ключ 17 - на управляющий входэлектродвигателя 22. Последний механически перемещает устройство 21 компенсации транспортного запаздываниявместе с неподвижно закрепленными нанем анализаторами 8 и 9 вдоль координаты х. При этом фазы сигналов О,и У изменяют свою величину (однав .сторону. увеличения, другая в сторону уменьшения, или наоборот) в пределах одного периода (-и, +и) до техпор, пока величины запаздывания неуравняются и амплитуда сигнала рассогласования с фазового детекторане приблизится к допустимому уровню.формирователь 14 сигналов управленияс помощью детектора допусковой зоныанализирует уровень выходного сигнала с второго фильтра 20 нижних частот.Когда уровень сигнала рассогласованиявходит в допусковую зону, формирователь 14 осуществляет размыкание управляемого ключа 17, в результатеэлектродвигатель 22 останавливается,и процесс дифференциального выравнивания запаздывания прекращается. Прианализе функции передачи фазы наболее высоких пространственных частотах формирователь 14 сигналов управления полностью блокирует управляемый ключ 17, в результате чегово втором такте при измерении функций передачи фазы он находится в ра 1318821 1 О(9) зомкнутом состоянии. Чтобы избежать неопределенности (в целое число периодов) при исключении влияния набега фазы за счет запаздывания, необходимо увязать между собой линейное смещение изображения тест-объекта 5 (из-за случайных сдвигов) и допустимое изменение фазы сигналов Уи Б на нижней пространственной частоте М. Очевидно, что величина указанно го смещения иэображения в устройстве не может превышать длины фоточувствительной поверхности Ь, при этом сдвиг фазы сигналов не.должен превышать 2 я. Поскольку линейное смещение изображения Ь должно составлять такую же часть от периода, т.е. от 1/М, какую фазовый угол сдвига Ч)(М) составляет от 2, то очевидно имеет место равенство 20Ь М(Мн)1 МнВо втором такте устройство производит измерение функций передачи модуляции и фазы. Под воздействием25 управляющих кодов, поступающих с формирователя 14 управляющих сигналов, генератор 15 синусоидальных колебаний формирует заданные значения временной частоты модуляции Ы соответствующие пространственной частоте М:. В соответствии с этим управляемый источник 16 тока изменяет частоту импульсов, подаваемых на электрохромный модулятор 2, который осуще ствляет модуляцию светового потока с заданной частотой и);. Выходной сигнал с анализатора 8 через соответствующий канал блока предварительной обработки 11 поступает на регистрирующий прибор 23, который измеряет амплитуду пришедшего сигнала Б на всех заданных пространственных частотах, т.е. функцию передачи модуляции. Сигнал с анализатора 8, проходя через блок 11 предварительной обработки и формирователь 12 импульсов, где подвергается такой же обработке, как и сигнал, сформированный на нижней пространственной частоте, поступает на первый вход фазового детектора 13, на второй вход которого приходит сигнал с анализатора 9, прошедший соответствующие каналы блока 11 предварительной обработки и формирователя 12.С выхода фазового детектора 13 сигнал, пропорциональный разности фаэ сравниваемых сигналов У и У поступает через второй фильтр 20 нижних частот на регистрирующий прибор 23, где фиксируется информация о функции передачи фазы. В данном случае при определении разности фаз сигналов У и И, описываемых выражениями (5) и (8) соответственно, за счет противоположных знаков (М;) на выходе фазового детектора 13 формируется сигнал, амплитуда которого пропорциональна 2 Ц(М;), что повышает чувствительность измерений функции передачи фазы.Формула изобретения1. Способ контроля передаточной функции оптической системы, включающий операции определения функции передачи модуляции и функции передачи фазы оптической системы путем формирования изображения щелевого излучателя в плоскости анализа, амплитудной модуляции освещенности изображения синусоидальным сигналом с временной частотой о, перемещение анализатора в плоскости анализа перпендикулярно щелевому излучателю с постоянной линейной скоростью Ч с одновременным осуществлением интегрирующего считывания пространственно- временного распределения освещенности Е(х,Г) в изображении щелевого излучателя, при этом м; = 2 М;Ч, где М, - пространственная частота, преобразование результата регистрации в переменный электрический сигнал видаСс)С, сс,и) = Кссох исАх(х)сох в х-Ф .х дх - з 1 п ы,с А(х) з.п х с 1 х), где К - постоянная;А (х) - функция рассеяния линиивконтролируемой оптическойсистемы;х - текущее значение координаты в направлении движения;с - текущее значение времени, после чего определяют функцию передачи модуляции оптической системы на заданных пространственных частотах, которые формируют путем последователь-, ного изменения временной частоты амплитудной синусоидальной модуляции и сравнением фаэ переменных электрических сигналов Б(С,ь);) и фс,ы,)определяют функцию передачи фазы оптической системы, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, сцелью повышения чувствительности и достоверности измерений, изображение щелевого излу чателя формируют одновременно на втором анализаторе, перемещаемом одновременно с первым в плоскости анализа со скоростью Ч, равной скорости первого анализатора, в противополож 1 О ном направлении и при осуществлении интегрирующего считывания распределения освещенности Е(-х,с) преобразуют результат регистрации в переменный электрический сигналБ(с, м;) = К(созмг) Ал(х) хОВ -ех соз - хс 1 х + зпж;г. А(х) хЮ; -0020 х зп - хйхЧа величину запаздывания сигналов 11 и 11 дифференциально уравнивают пу 2тем изменения взаимного расположения изображения и анализаторов по получении нулевой разности фаз на нижней пространственной частоте И, выбираемой из условия1 30н 27 Ч 1 ф где 1 - длина фоточувствительной поверхности анализатора.2. Устройство для контроля передаточной функции оптической системы, содержащее источник модулированного излучения и размещенные по ходу его луча конденсор, тест-объект в виде щелевой диафрагмы, объектив, микро- объектив, линейный прибор с переносом заряда, ориентированный перпендикулярно щелевой диафрагме, и регистрирующий прибор при этом тест- объект размещен в фокальной плоскости объектива, а также генератор синусоидальных колебаний, синхрогенератор, блок предварительной обработки, управляемый источник тока, два фильтра нижних частот, схему сравнения, формирователь сигналов управления, фазовый детектор, формирователь импульсов, при этом линейный прибор с переносом заряда подключен к первому выходу синхрогенератора, второй выход которого соединен с первым входом блока предварительной обработк к второму входу которого подключен выход линейного прибора с переносом заряда, а к выходу подключены соединенные между собой регистрирующий прибор и первый фильтр нижних частот, выход которого соединен с входом схемы сравнения, выходом подключенной к первому входу управляемого источника тока, второй вход которого подсоединен к выходу генератора синусоидальных колебаний, вход которого соединен с вторым выходом формирователя сигналов управления, входом подключенного к третьему выходу синхрогенератора, при этом выход блока предварительной обработки подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с первым вхо- дом фазового детектора, выходом подсоединенного через второй фильтр нижних частот к регистрирующему прибору, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и информативности контроля, в него дополнительно введены второй линейный прибор с переносом заряда, ориентированный параллельно первому и подключен к первому выходу синхрогенератора, светофильтр, устройство компенсации запаздывания с электродвигателем, управляемый ключ, блок предварительной обработки и формирователь импульсов выполнены с дополнительными входом и выходом, а формирователь сигналов управления - с дополнительным входом, к которому подключен выход второго фильтра нижних частот, подключенный к входу управляемого ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом формирователя сигналов управления, а выход подключен к электродвигателю, выход второго линейного прибора с переносом заряда подсоединен к дополнительному входу блока предварительной обработки, дополнительный выход которого подключен к дополнительному входу формирователя импульсов, дополнительный выход которого подключен к второму входу фазового детектора.3. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что источник модулированного излучения выполнен в виде лампы накаливания и установленного эа ней электрохромногомодулятора.1318821 Изобраяе нцси Составитель А.МироносТехред А,Кравчук Корректор Л.,Пата Редакто Патрушева Заказ 2499/3 изводственно-полиграфическое. предприятие, г.ужгород, ул,Проектная, 4 Тираж 776 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РПодписноекомитета СССРи открытийушская наб д. 4/5