Разработка и исследование алгоритмического и программного обеспечения для решения задач оценки качества изображения прецизионных оптических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Ле Зуй Туан

• Ле Зуй Туан
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Зуй Туан

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Обзор состояния вопроса и информационное исследование.

1.1. Понятие качества изображения оптической системы и способы измерений.

1.2. Функции рассеяния точки и линии.

1.3. Пограничная кривая.

1.4. Концентрация энергии в пятне рассеяния.

1.5. Передача изображения через оптическую систему.

1.6. Задача исследования структуры пятна рассеяния.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Теоретический анализ методов оценки качества изображения и концепция изофотометрии.

2.1. Традиционные методы оценки качества изображения, их достоинства и недостатки.

2.2. Метод видео-сканирования.

2.3. Метод изофотометрии ФРТ.

2.4. Контроль качества изображения по функции рассеяния линии.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Разработка и исследование метода компьютерной изофотометрии для анализа характеристик качества изображения по функции рассеяния точки.

3.1. Разработка метода компьютерной' изофотометрии ФРТ с изменяющимся временем накопления.

3.2. Аппаратура.

3.3. Экспериментальные исследования структуры пятна рассеяния.

3.4. Погрешности метода изофотометрии ФРТ.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Разработка и исследование компьютерной изофотометрии для анализа характеристик качества изображения по ФРЛ.

4.1. Разработка компьютерной изофотометрии ФРЛ с изменяющимся световым потоком.

4.2. Аппаратура.

4.3. Экспериментальные исследования качества изображения-объектива по ФРЛ

4.4. Погрешности метода изофотометрии ФРЛ.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Косвенные методы оценки качества изображения.

5.1. Интерференционные методы контроля оптики.

5.2. Интерферометр сдвига.

5.3 Интерферометр сдвига с дифракционной решеткой Ронки.

5.4. Интерферометры с дифрагированным эталонным, (опорным) волновым фронтом.

5.5. Основы обработки интерференционных картин.

5.6. Разработка программного обеспечения для обработки интерферограмм.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование алгоритмического и программного обеспечения для решения задач оценки качества изображения прецизионных оптических систем»

Актуальность работы

Развитие оптико-электронных приборов и комплексов, например, наблюдательных оптических приборов, особенно - космических, цифровых камер, медицинских приборов, оптических систем для микроэлектроника сопровождается повышением требования к качеству изображения, даваемого I оптическими системами. Для получения требуемого качества необходимо оценивать основные параметры, характеризующие качество изготовленных оптических систем, с необходимой точностью.

Выполнение этих задач невозможно без совершенствования и развития методов и средств контроля и аттестации оптической продукции; возможностями этих средств в настоящее время во многом определяется успешное развитие оптической промышленности и аппаратуры. В то же время применяемые в производстве средства оптического контроля и исследования нередко по своим возможностям не удовлетворяет указанным требованиям. В целом производство испытывает нехватку современных приборов оптического контроля. Преобладают субъективные визуальные оценки. Слабо решаются задачи комплексного оснащения рабочих мест в условиях крупномаштабного производства, торговли, эксплуатации и ремонта.

В последнее время развиваются новые средства оптических измерений, которые основаны на достижениях в цифровой технике и цифровой обработке изображений. Такие устройства оснащены видеокамерой, которая подключена к компьютеру. В результате обработки и анализа цифровых изображений, которые дает камера, получаем результаты контроля и измерения.

Данная работа служит для решения указанных проблем путем применения новых технологий в нетрадиционном сочетании методов оптики, электроники и информатики. При этом выполнен анализ их достоинств и недостатков, предложены способы повышения точности измерений и эффективности контроля и исследовании, разработаны пакеты программ для обеспечения функционирования установок оценки качества изображения оптических систем с новыми возможностями. Цель работы и задачи исследования: Целью настоящей работы являются разработка и исследование алгоритмического и программного обеспечения для решения задач оценки качества изображения прецизионных оптических систем В соответствии с этим решались следующие задачи:

• Информационное исследование традиционных методов оценки качества оптических систем, поиск путей повышения точности.

• Разработка математической базы алгоритмического и программного обеспечения компьютерной изофотометрии ФРТ с изменяющимся временем накопления как основы для создания компьютеризированной установки оценки качества изображения.

• Разработка математической основы алгоритмического и программного обеспечения компьютерной изофотометрии ФРЛ с изменяющимся световым потоком для установки автоматического определения ФРЛ и ФПМ (ЧКХ) оптической системы.

• Разработка математических принципов и алгоритмов расшифровки интерферограмм сдвига и метода восстановления деформаций волнового фронта путем обработки двух интерферограмм сдвига.

• Разработка программного обеспечения для автоматической расшифровки и компьютерной обработки интерферограмм сдвига, а также обработки классических интерферограмм.

• Экспериментальное исследование разработанного алгоритмического и программного обеспечения.

На защиту выносятся следующие оригинальные научные результаты:

1. Математические основы метода компьютерной изофотометрии функции рассеяния точки.

2. Система алгоритмов и программы для автоматического определения функции рассеяния точки по методу изофотометрии.

3. Математические основы метода компьютерной изофотометрии функции рассеяния линии.

4. Система алгоритмов и программы для автоматического определения функции рассеяния линии по методу изофотометрии.

5. Способ восстановления волнового фронта при обработке интерферограмм сдвига.

6. Алгоритм и программа расшифровки интерферограмм сдвига методом восстановления функции деформаций волнового фронта путем решения системы дифференциальных уравнений, полученных при обработке двух интерферограмм с взаимно-перпендикулярным направлением сдвига.

7. Алгоритм расшифровки интерферограмм, дающий снижение влияния шумов и существенное повышение точности.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Ле Зуй Туан

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование способов оценки качества изображения, их связи с процессом формирования оптических изображений. Выведены достоинства и недостатки методов и требования к ним. Показано влияние диапазона регистрации интенсивностей в ФРТ на точность определения.ЧКХ.

2. На основе исследования достоинств и недостатков прямых методов оценки качества изображения предложен способ; сочетающий достоинства нескольких методов. При этом предлагаемый метод — компьютерная изофотометрия является сочетанием методов изофотометрии и видеофотометрии. Новый метод более простой и оперативный; он дает возможность регистрации диапазона передача интенсивности в пятне рассеяния от 3 до 5 порядков с высокой точностью во всех диапазоне.

3. Разработаны математические основы метода компьютерной изофотометрии ФРТ, при этом найдены формулы применительно к задаче создания алгоритмов'и программного обеспечения.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение «КИЗО-ФРТ», которое позволяет измерять ФРТ по методу изофотометрии и обрабатывать измеренные значения ФРТ для получения различных характеристик качества изображения оптических систем, таких как ЧКХ, ФРЛ, ПК, ФКЭ.

5. Разработана установка контроля качества изображения оптических систем на основе скамьи ОСК-2ЦЛ, камеры УАС-135 и программы «КИЗО-ФРТ». Проведено экспериментальное исследование качества изображения фотообъектива «Гелиос-44» на разработанной установке. Результаты соответствуют практике и согласуются с расчетными характеристиками объектива.

6. Выполнена оценка погрешности метода изофотометрии ФРТ на основе математического анализа и ряда экспериментов. Расчеты и практика показывают, что погрешность определения ФРТ по методу изофотометрии не превышает 1,5%, погрешность после расчета ЧКХ не более 5%.

7. Разработаны математические основы метода компьютерной изофотометрии ФРЛ, при этом найдены формулы применительно к задаче создания алгоритмов и программного обеспечения.

8. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое позволяет измерить ФРЛ по методу изофотометрии и преобразовать измеренные значения ФРЛ для получения различных характеристик качества изображения оптических систем, таких как ЧКХ, ПК, ФКЭ. Рабочая скорость программы достаточно высока, что позволяет получать результаты измерений в реальном времени.

9. Разработана установка контроля качества изображения оптических систем методом компьютерной изофотометрии ФРЛ на основе скамьи ОСК-2ЦЛ. Выполнен расчет основных узлов в схеме установки. Выполнены экспериментальные исследования качества изображения фотообъектива «Гелиос-44» на разработанной установке. Результаты согласуются с данными расчета объектива и соответствуют практике; эти результаты согласуются также с данными метода изофотометрии ФРТ.

10. Выполнена оценка погрешности метода изофотометрии ФРЛ на основе математического анализа и экспериментов. Расчеты и практика показывают, что погрешность определения ФРЛ по методу изофотометрии ФРЛ не превышает 1%, погрешность после вычисления ЧКХ не выше 5%.

11. Выполнены исследование и разработка макетного интерферометра сдвига с оснащением ПЗС-камерой для автоматической регистрации интерферограмм.

12. Разработаны алгоритм и программа для моделирования и исследования интерферограмм сдвига.

13. Разработка алгоритма и программы автоматической расшифровки интерферограмм сдвига методом восстановления функции деформаций волнового фронта путем решения системы» дифференциальных уравнений, полученных при совместной обработке двух интерферограмм с взаимно-перпендикулярным направлением сдвига.

123

14. Выполнены исследование и разработка альтернативного алгоритма расшифровки интерферограмм, дающего снижение влияния шумов и существенно повышение точности.

15. Выполнена разработка программы "Tiger", которая производит регистрацию, обработку и анализ интерферограмм с целью получения информации об ошибках волнового фронта, а также анализа влияние деформаций волнового фронта на определяемые программой характеристики качества изображения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Зуй Туан, 2008 год

1. С. А. Родионов. Основы оптики // СПб.: ИТМО. 2000.

2. В. А. Зверев, Т. В. Точилина. Основы оптотехники // СПб.: ИТМО. 2005

3. В. М. Домненко. Моделирование формирования оптического изображения // СПб.: ИТМО. 2005.

4. Г. Г. Слюсарев. Методы расчета оптических систем // Л.: Машиностроение. 1969.

5. Вычислительная оптика. Справочник под ред. М. М. Русинова, А. П. Г. рамматина и др. Л.: Машиностроение. 1984.

6. В. К. Кирилловский. Оптические измерения. Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик // СПб.: ИТМО. 2005.

7. В. А. Зверев. Основы геометрической оптики // СПб.: ИТМО. 2002.

8. М. Я. Шульман. Измерение передаточных функций оптических систем // М.: Машиностроение. 1980.

9. Г. В. Креопалова, Д. Т. Пуряев. Исследование и контроль оптических систем. М.: Машиностроение. 1978.

10. Д. С. Волосов. Фотографическая оптика//М.: Искусство. 1971.

11. А. Марешаль, М. Франсон. Структура оптического изображения // М.: Мир. 1964.

12. М. М. Русинов. Техническая оптика// Л.: Машиностроаение. 1969.

13. А. И. Тудоровский. Теория оптических приборов // Ч. I., М. Л., Изд-во АН СССР, 1948.

14. Ю. К. Вифанский, Ю. Н. Гороховский. О численной оценке резкости фотографического изображения // Журнал научной прикладной фотографии и кинематографии. Т. 6, вып. 5. 1961.

15. Ю. К. Вифанский, Ю. Н. Гороховский. Пограничные кривые и резкость черно-белого фотографического изображения // «Успехи научной фотографии» Т. 10. 1964.

16. М. Я. Шульман. Градиентные и информационные кричерии качества изображающих характеристик // Журнал научной прикладной фотографии и кинематографии. Т. 9, вып. 5. 1974.

17. Н. Н. Михельсон. Оптические телескопы // М.: Наука. 1976.

18. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику // М.: Мир. 1970.

19. Г. Старк. Применение методов Фурье-оптики // М.: Радио и связь. 1988.

20. С. А. Родионов. Автоматизация проектирования оптических систем // Л.: Машиностроение. 1982.

21. Г. В. Креопалова, Н. Л. Лазарева, Д. Т. Пуряев. Оптические измерения. М. Машиностроение. 1987.

22. Л. М. Еськова; Компьютерные методы контроля оптики // СПб.: ИТМО. 2004.

23. Д. Малакара. Оптический производственный контроль // М.: Машиностроение. 1995:

24. В. В. Малинин. Основы ФПМ- ПЗС для высококачественного формирования изображений // издатель ЦИТ СГГА. 2003.

25. Г. Г. Ишагин, Э. Д". Панков, В: П: Челибанов. Приемники излучения // Изд-во Папирус. 2003.

26. В. А. Зверев, В. К. Кирилловский, М. Н. Сокольский. Исследование, качества изображения оптических систем методом изофотометрической фоторегистрации // ОМП, N8. 1976.

27. Т.А.Иванова, В. К. Кирилловский. Проектирование и контроль оптики микроскопов // Л.: Машиностроение. 1984.

28. В. А. Зверев, Е. В. Кривопустова. Оптотехника несферических поверхностей // СПб.: ИТМО. 2006.

29. В. К. Кирилловский, Ле Зуй Туан. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для установки контроля качества изображения объектива // Изв. Вузов, Приборостроение, Т. 50, № 7. 2007.

30. Paul Kuttner. An instrument for determining the transfer function of optical systems // Applied optics. Vol. 7, No. 6. June 1968.

31. Каталог цветного стекла // M.: Машиностроение. 1967.

32. Richard Barakat and Raoul F. van Ligten. Determination of the transfer function of an optical system from experimental measurements of the wavefront // Applied optics. Vol. 4, No. 6. June 1965.1 »

33. В. К. Кирилловский. Оптические измерения. Часть 2. Оценка качества-оптического изображения и измерение его. характеристик. // СПб.: ИТМО, 2003.

34. Э. М. Лившиц. Оптические измерения. Учебное пособие // Л.: ЛИТМО. 1985.

35. М. V. R. К. Murty. A compact radial shearing interferometer based on the law of refraction// Appl. Opt. Vol. 3, 853-857. 1964.

36. M. V. R. K. Murty and E. C. Hagerott. Rotational-shearing interferometry // Appl. Opt. Vol. 5, 615-619. 1966.

37. G. W. R. Leibbrandt, G. Harbers, and P. J. Kunst, Wave-front analysis with high accuracy by use of a double-grating lateral shearing interferometer // Applied optics // Vol. 35, No. 31. November 1996.

38. M. V. R. K. Murty. The use of a single plane parallel plate as a lateral shearing interferometer with a visible gas laser source // Appl: Opt. Vol. 3, 531-534. 1964.

39. A. H. Матвеев. Оптика // Изд-во Высшая школа. 1985.

40. С. Н. Бездидько. Определение коэффициентов, разложения волновой аберрации по полиномам Цернике // ОМП, № 7. 1975.

41. С. Н. Бездидько. Применение полиномов Цернике в оптике // ОМП, № 9. 1974.

42. С. А. Родионов, В. В. Усоскин, Л. И. Пржевалинский. Вычисление ортогональных на кольце полиномов Цернике // Л.: Труды ЛИТМО. 1979.

43. Ч. Лоусон, Р. Хенсон. Численное решение задач методом наименьших квадратов //.Пер. с англ. X. Д. Ихрамова. М.: Наука, 1986.

44. Н. Б. Вознесенский. Ортогональные полиномы для описания аберраций оптических систем с различными видами симметрии // Изв. вузов СССР. Приборостроение, Т. 25, № 5. 1982.

45. В. Ронки. Испытание оптических систем. М.-Л.: Гостехтеориздат. 1933.

46. V. Ronchi. Forty years of history of a grating interferometer // Appl. Opt. Vol. 3, No. 4. April 1964.

47. Braat and A. J. E. M. Janssen. Improved1 Ronchi test with extended source // J. Opt. Soc. Am. A. Vol. 16, No. 1. January 1999.

48. D. Malacara, "Geometrical Ronchi test for aspherical mirrors," Appl. Opt. 4, 1371-1374(1965).

49. D. Malacara and A. Cornejo, "Null Ronchi test for aspherical surfaces;" Appl.-Opt Vol. 13, 1974.51*. В. П. Линник. Простой'интерферометр для исследования оптических систем. Труды ГОИ. Том X. Выпуск 95. Ленинград. 1934.

50. Rayces J. L. Exact relation between wave aberration and ray aberration // Opt. Acta. 1964.

51. В. К. Кирилловский. Лазерный интерферометр с дифрагированным опорным фронтом. Российская научно-практическая конференция "ОПТИКА. ФПЦ Интеграция". ИТМО (ТУ). Санкт-Петербург, 25-27 января 1999.

52. R.N.Smartt, W.H.Steel Theory and application of point-diffraction interferometers // Jap. J. Appl. Phys. Suppl. 1975. -14-1. - P. 351-356.

53. Qian Gong, Joseph M.Geary Modeling point diffraction interferometers // Optical Engineering. 1996. - vol. 35. - N2. - P. 351-356.

54. Г. H. Виноградова. Образование интерференционных картин в интерферометре с дифракционной волной сравнения при контроле объективов микроскопов // Оптический журнал, том 65. № 2. 1998.

55. В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 5. // СПб.: ИТМО. 2006.

56. Функция Передачи модуляции1. Рис, 1.1. Главное окно

57. Рис, 1.2. Окно «изофоты» 1301. VI (¿о1. НИ

58. Рис. 1.3. Изображение пятна рассеяния.1. Пятка |

59. Функция Передачи модуляции

60. Рис. 1.4. Модуль «анализ» измеренных данных

61. Экспериментальные результаты оценки качества изображения объектива бинокли Б15х50 (без призм)

62. Расчетные параметры объектива1. Параметры Материал1. R d Dce Стекло128,680 10.00 50 К8-90,860 4.00 50 ТФ1-275,720 98,1 50

63. Здесь г — радиусы кривизны поверхностей, d — расстояние между двумя последующими поверхностями, Dce— световой диаметр поверхности.10,8 0,6 0,4 0,2 010,8 0,6 0,4 0,21. ФРТi.j.:. Л 1 .\i i