Измерение характеристик качества изображения объектива методом изофотометрии пограничной функции. Лабораторная работа по курсу ''Оптические измерения''

Современные оптические измерения ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 11

Измерение характеристик качества изображения объектива методом изофотометрии пограничной функции. (Программное обеспечение по компьютерной обработке изображения для изофотометрии EDG-функции и расчету ФРЛ и ЧКХ разработано магистрантом К.В. Ежовой).

Задание для работы 1. Отъюстировать схему изофотометра функции края с контролируемым объективом. 2. Сформировать на изофотометре изображение тест-объекта типа "полуплоскость переменной яркости" на экране TV - монитора. 3. Сформировать на изображение изофоты как графика пограничной кривой на дисплее компьютера (пользуясь программой ADOBE PHOTOSHOP, опция Trace contour). 4. Измерить координаты функции края и ввести данные измерений в программу EDG_MTF для расчета ФРЛ и ЧКХ исследуемого объектива. 3. Выполнить исследование характера качества изображения объектива по виду ФРЛ (по изображению на экране) в сопоставлении со вторым объективом. 4. Измерить ширину ФРЛ на заданном уровне относительной освещенности E ОТН. 5. Получить значения фотографической разрешающей способности ФРС из таблицы соответствия ФРЛ и ФРС. Записать результаты в файл для последующего включения в отчет. 6. Определить характеристики точности измерения. 8. Определить характеристики точности измерения.

ПРИНЦИП МЕТОДА Кратко принцип метода состоит в формировании исследуемой оптической системой изображения тест-объекта типа “полуплоскость переменной яркости” и трансформации полученного изображения при помощи приемника изображения, обладающего функцией преобразования (световой характеристикой) типа “импульс”. Такая ФП выполняет операцию выделения изофоты в исследуемом изображении. Изофота для изображения тест-объекта указанного типа имеет форму графика пограничной кривой исследуемой оптической системы, имеющего логарифмический масштаб по оси интенсивностей (рис. 2, 3, 4 и 5).

СХЕМА УСТАНОВКИ

Рис. 1. Схема установки для исследования пограничной функции и ФПМ (ЧКХ) объектива. 1 – лампа, 2 – конденсор, 3 – матовое стекло, 4 – полуплоскость, 5 – исследуемый объектив, 6 – пятно рассеяния, 7 – объектив микроскопа, 8 – окуляр микроскопа, 9 - фотометрический клин, 10 – телевизионный приемник изображения, 11 - блок телевизионного тюнера с функцией видео-захвата, 12 – компьютер Для реализации тест-объекта типа “полуплоскость переменной яркости” в коллиматоре установлена щель с линейным фотометрическим клином, ось которого совпадает с расположением щели.

Построенное исследуемым объективом изображение этого тест объекта переносится с увеличением при помощи вспомогательного микрообъектива и проекционного окуляра на чувствительную площадку передающей телевизионной камеры, включенной в замкнутую телевизионную систему (видеосистему ТВС). Видеосистема, соединенная с компьютером, работает в режиме выделения контура при постоянных световых характеристиках приемника изображения. Для этого в составе ТВС (рис. 1) подключен блок видеобластера (ТВ-тюнера) с функцией захвата кадра; выделение контура, то есть изофоты изображения тестобъекта типа "линиz переменной яркости" , сформированного исследуемой оптической системой, выполняется специальной компьютерной программой (можно использовать программу AdobePhotoshop, опция Trace Contour). Эта изофота имеет форму графика пограничной (переходной) функции (назовем ее EDGфункцией), характеризующей качество изображения для исследуемого объектива, где по оси ординат располагаются значения логарифма относительной освещенности (lg EОТН), а по оси абсцисс - пространственная протяженность в плоскости изображения. График EDG (E ОТН = f(y') формируется на экране компьютерного дисплея. Данная установка позволяет оперативно определять плоскость наилучшей установки (фокусировки) объектива, осуществлять его юстировку до достижения наилучшего качества изображения и оценивать качество изображения по ширине ФРЛ и соответствующему значению ФРС. ФРЛ рассчитывается на компьютере исходя из соотношения, которое связывает функции EDG и ФРЛ. Функция рассеяния линии получается дифференцированием переходной функции EDG ::

g(x ) = где Ee(x))

dE e (x ) dx

- нормированная переходная функция,

Ee(x)) = (E(x) - E min ) / (E max - E min) E max и E min - максимальное и минимальное значения освещенности в изображении скачка яркости.

На базе найденной ФРЛ вычисляется ее спектр амплитуд (пространственных частот) или функция передачи модуляции ФПМ, которая служит частотно - контрастной характеристикой (ЧКХ) исследуемой оптической системы. Этот расчет можно выполнить по формуле: n

A( N ) = ∑ g ( xi ) cos 2πmN1 xi Δx i =1

Здесь

N1 = (1/(xn - x0)), xn и x0 - координаты начала и конца ФРЛ, то есть g(x0) ≈ g (xn) ≈ 0. m - номер гармонической составляющей, m = 0, 1, 2, 3, …

Δx= xi+1 - xi . n - число разбиений отрезка (xn - x0 ), принимается n = ≥ 30. Пространственной частоте N = m N1 последовательно задают все значения от 0 до N max = m max N1 , при которой A (N max) пренебрежимо мало :

A (N max) ≤ 0.02 . Для каждого значения Ni вычисляют величину A (N max) . Компьютерной обработкой данных получают весь комплекс требуемых характеристик качества изображения объектива: оптическую передаточную функцию ОПФ, модуляционную передаточную функцию ФПМ (называемую также частотноконтрастной характеристикой ЧКХ). Определяют требуемые критерии качества изображения исследуемой системы, такие как значение коэффициента передачи контраста на заданной критической частоте. Другой критерий - среднее значение ФПМ на сюжетно важном интервале частот, определяемой по формуле :

J=

1

μпр

μ пр

∫ T ( μ )dμ 0

где μпр - частота, принятая в качестве предельной на сюжетно важном интервале; Tμ -коэффициент передачи контраста.

Рис. 2

Рис. 3

Характеристики установки Источник света - лампа накаливания СЦ - 80. Ширина щели - 1 мм. Объектив - двусклеенный ахромат, f'=58 мм, F = 2. Приемник изображения - видикон. Увеличение в телевизионном канале - 22Х. КОМПЬЮТЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ ИЗОФОТОМЕТРИИ EDG - функции 1. Сформированное на изофотометре изображение тест-объекта типа "полуплоскость переменной яркости " (рис.2 ) отобразить на экране TV - монитора для настройки установки.

2. Сформированное изображение ввести в программу для формирования изофоты как графика EDG - функции, отобразить на компьютерном дисплее и записать в файл. 3. Запустить программу LSF_MTF. Выполнить компьютерную обработку изображения тест-объекта типа "светящаяся линия переменной яркости" для получения графиков и таблиц ФРЛ и ЧКХ. (см. Приложение 1 "Методика компьютерной обработки данных изофотометрии EDG - функции объектива"). 4. Рассчитать, пользуясь компьютером, среднее значение ФПМ на сюжетно важном интервале частот J. 5. Рассчитать, пользуясь компьютером, значения: VS ,L, Z, Rф (для раздела "Проведение исследований"). 6. Получить распечатки результатов исследования . ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРС 1. Рассчитать в программе EDG_MTF таблицу значений ФРЛ по EDG - функции. 2. Определить по таблице LИ (ширину ФРЛ на уровне ЕР ) . Перевести LИ в L , пользуясь выражением: L = LИ / VS , (Значения величин -см. раздел "Измерение ширины ФРЛ". 3. Перевести значение L в величину Z по формуле: Z = πLA' /λ где A' - апертура фотообъектива, λ = 0,55 мкм . (Значения величин L и λ вводятся в мм).

4. Найти значение ФРС исследуемого объектива RФ по калибровочной кривой ФРЛ - ФРС в осях RФ = f (Z), где RФ - ФРЛ (рис. 3).

Рис. 3. Калибровочная кривая для определения ФРС Значение ФРС может быть определено по формуле: Rф = 10 (2.15 - 0.21712*ln(Z)) 7. Расфокусировать и снова настроить плоскость наилучшей установки для исследуемого объектива. Повторить измерение h и LИ и определение Z и ФРС . 8. Рассчитать, пользуясь программой EDG_MTF таблицу и график ЧКХ для исследуемого объектива. 9. Рассчитать, пользуясь компьютером, среднее значение ФПМ на сюжетно важном интервале частот J. 10. Получить распечатки результатов исследования . 11. Исследовать аналогично второй образец объектива. ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ФРЛ Расстояние по высоте графика ФРЛ от вершины на TV - экране - 15 мм. E отн на этом уровне ФРЛ

- 0,25.

Увеличение VS - от изображения щели до TV - экрана -

946,

(Vm - увеличение, создаваемое микрообъективом установки, VTV - увеличение в TV - канале). VS = Vm VTV . Ширина ФРЛ : L = LИ / V S , где LИ - ширина, измеренная по TV - экрану. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА - Схема установки. - Краткое описание метода. - Таблицы измерений. - Результаты (включая распечатки данных компьютерной обработки). - Оценка характеристики точности измерения.

ЛИТЕРАТУРА 1. Кирилловский В.К. Контроль качества объективов. Учебное пособие. ЛИТМО . Л. 1984 . 2. Кирилловский В.К. Применение телевидения при контроле и аттестации оптических систем. Учебное пособие. ЛИТМО.Л.1983. 3. Кирилловский В.К. Методы контроля качества изображения оптических систем. Учебное пособие. ЛИТМО.Л.1980. 4. В. Дьяконов. Mathcad 2000. СПб.Питер. 2001.

Рис. 4 …..

Рис. 5…..