А.И. Кар­пов, А.В. Лу­кин, И.Г. Вен­де­рев­ская, М.П. Се­ме­но­ва

Исследование и контроль качества изображения оптико-электронных приборов

Ла­бо­ра­тор­ный прак­ти­кум

Ка­зань, 2008

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Казанский Государственный Технический

Университет им. А.Н. Туполева

А.И. Кар­пов, А.В. Лу­кин, И.Г. Вен­де­рев­ская, М.П. Се­ме­но­ва

Исследование и контроль качества изображения оптико-электронных приборов

Ла­бо­ра­тор­ный прак­ти­кум

Ре­ко­мен­до­ва­но к изданию Учеб­но-ме­то­ди­че­ским цен­тром

КГТУ им. А.Н. Ту­по­ле­ва

Ка­зань, 2008

УДК 535.8

Вен­де­рев­ская И.Г., Кар­пов А.И., Лу­кин А.В., Се­ме­но­ва М.П. Ис­сле­до­ва­ние и кон­троль ка­че­ст­ва изо­бра­же­ния оп­ти­ко-элек­трон­ных при­бо­ров: Ла­бо­ра­тор­ный прак­ти­кум. Ка­зань: Изд-во Ка­зан. гос. техн. ун-та, 2008.

ISBN _______________

При­во­дят­ся све­де­ния из тео­рии кур­са СД.Р.03. «Ис­сле­до­ва­ние и кон­троль ка­че­ст­ва изо­бра­же­ния оп­ти­ко-элек­трон­ных при­бо­ров», ис­поль­зуе­мые для кон­тро­ля и оцен­ки ка­че­ст­ва оп­ти­че­ских де­та­лей и сис­тем и ме­то­ди­че­ские ука­за­ния к ла­бо­ра­тор­ным ра­бо­там по ­ука­зан­но­му кур­су: опи­са­ние ла­бо­ра­тор­ных ус­та­но­вок, фор­му­лы для рас­че­та па­ра­мет­ров, по­ря­док из­ме­ре­ний.

Пред­на­зна­че­н для сту­ден­тов и ма­ги­ст­ров спе­ци­аль­но­сти 200203 (190700) – «Оп­ти­ко-элек­трон­ные при­бо­ры и сис­те­мы» и на­прав­ле­ния 200200 (654000) – «Оп­то­тех­ни­ка» днев­но­го, ве­чер­не­го и за­оч­но­го обу­че­ния, а так­же мо­жет быть по­ле­зен для сту­ден­тов и ма­ги­ст­ров дру­гих при­бо­ро­строи­тель­ных спе­ци­аль­но­стей.

Табл.4. Ил.27. Биб­ли­огр.:12 назв.

Ре­цен­зенты: канд. техн. наук А.Н. Мель­ни­ков (ФГУП «НПО Государственный институт прикладной оптики»),

Начальник оптико-измерительной лаборатории Г. Х. Закирзянова (ОАО «Казанский оптико-механический завод»)

ISBN © Изд-во Казан. гос. техн. ун – та, 2008

© И.Г. Вендеревская, А.И. Карпов, А.В. Лукин,

М.П. Семенова, 2008

Лабораторная работа № 1

Оценка качества изображения оптических систем

при помощи штриховых мир

Цель ра­бо­ты

1. Изу­че­ние ме­то­ди­ки из­ме­ре­ния раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти оп­ти­че­ских сис­тем.

2. Из­ме­ре­ние раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти и оцен­ка ка­че­ст­ва оп­ти­че­ской сис­те­мы.

Об­щие све­де­ния

Ко­ли­че­ст­вен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой ка­че­ст­ва изо­бра­же­ния оп­ти­че­ских сис­тем яв­ля­ет­ся раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность сис­те­мы, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет­ся при по­мо­щи штри­хо­вых и ра­ди­аль­ных мир. Ми­ра — ис­пы­та­тель­ная пла­стин­ка с на­не­сен­ным на нее стан­дарт­ным ри­сун­ком в ви­де по­лос или сек­то­ров, слу­жа­щая для ко­ли­че­ст­вен­но­го оп­ре­де­ле­ния спо­соб­но­сти и мо­ду­ля­ции при­бо­ров и све­то­чув­ст­ви­тель­но­го эле­мен­та (мат­ри­цы или плен­ки).

Ми­ры пред­став­ля­ют со­бой стек­лян­ные пла­сти­ны с на­не­сен­ны­ми на них тем­ны­ми штри­ха­ми на бе­лом фо­не с кон­тра­стом, близ­ким к еди­ни­це.

Про­мыш­лен­ность вы­пус­ка­ет шесть стан­дарт­ных штри­хо­вых мир, па­ра­мет­ры которых при­ве­де­ны в таб­л 1.1.

Таб­ли­ца 1.1.

Па­ра­мет­ры стан­дарт­ных штри­хо­вых мир.

Но­мер ми­ры	Ко­ли­че­ст­во штри­хов на 1 мм	Ба­за В,мм
1	50 – 200	1,2
2	25 – 100	2,4
3	12,5 – 50	4,8
4	6,5 – 25	9,6
5	3,1 – 12,5	19,2
6	1,6 – 6,3	38,4

Ми­ра со­сто­ит из 25 эле­мен­тов, имею­щих оциф­ров­ку и со­стоя­щих из че­ты­рех групп штри­хов: вер­ти­каль­ных, го­ри­зон­таль­ных и под уг­лом 45º в двух вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­ни­ях. Ши­ри­на ли­ний в ми­ре убы­ва­ет от эле­мен­та к эле­мен­ту по гео­мет­ри­че­ской про­грес­сии со зна­ме­на­те­лем q=2^-12≈0,94. Шаг или пе­ри­од штри­хо­вых ли­ний l=2a, где a  ши­ри­на штри­ха. Уг­ло­вая ве­ли­чи­на штри­хо­вых ли­ний , где f´_к  фо­кус­ное рас­стоя­ние кол­ли­ма­то­ра. Чис­ло штри­хов на 1 мм для лю­бо­го ( i ) эле­мен­та ми­ры оп­ре­де­ля­ет­ся по формуле

,

где В  ба­за ми­ры; К_i=1,06^i-1  ко­эф­фи­ци­ент, ха­рак­те­ри­зую­щий из­ме­не­ние пе­рио­да штри­хо­вых ли­ний эле­мен­тов ми­ры и из­ме­ня­ющийся в пре­де­лах К_i=1  4.

Зна­че­ния пе­рио­да штри­хо­вых ли­ний эле­мен­тов ми­ры следующие:

Мира №1						Мира №2
50	53	56	60	63		25	26	28	30	32
65	70	75	80	85		33	35	38	40	42
90	95	100	105	110		45	47	50	53	56
120	125	130	140	150		60	63	65	70	75
160	170	180	190	200		80	85	90	95	100
Мира №3						Мира №4
12,5	13	14	15	16		6,3	6,6	7	7,4	8
17	18	19	20	21		8,4	9	9,4	10	10,5
22	24	25	26	28		11	12	12,5	13	14
30	32	33	35	38		15	16	17	18	19
40	42	45	47	50		20	21	22	24	25
Мира №5						Мира №6
3,1	3,3	3,5	3,7	4		1,56	1,66	1,75	1,86	1,97
4,2	4,5	4,7	5	5,2		2	2,2	2,3	2,5	2,7
5,5	6	6,3	6,6	6,7		2,8	2,9	3,1	3,1	3,5
7,4	8	8,4	9	9,4		3,7	4	4,2	4,5	4,7
10	10,5	11	12	12,5		5	5,2	5,5	6	6,3

Раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью на­зы­ва­ют спо­соб­ность оп­ти­че­ской сис­те­мы изо­бра­жать раз­дель­но две точ­ки (две ли­нии), рас­по­ло­жен­ные в про­стран­ст­ве пред­ме­тов.

Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность оп­ре­де­ля­ет­ся в ли­ней­ной ме­ре или чис­лом штри­хов на 1 мм (для фо­то­гра­фи­че­ских объ­ек­ти­вов и мик­ро­ско­пов) и в уг­ло­вой ме­ре (для те­ле­ско­пи­че­ских сис­тем).

В со­от­вет­ст­вии с кри­те­ри­ем Рэ­лея пре­дель­ная раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность иде­аль­ной (без­абер­ра­ци­он­ной) оп­ти­че­ской сис­те­мы оп­ре­де­ля­ет­ся ли­ней­ным раз­ме­ром, рав­ным ра­диу­су пер­во­го тем­но­го коль­ца круж­ка Эри

,

(1.1)

где λ – дли­на вол­ны све­та; f´  фо­кус­ное рас­стоя­ние ис­пы­туе­мой сис­те­мы; Д – диа­метр вход­но­го зрач­ка сис­те­мы; σ´  апер­тур­ный угол в про­стран­ст­ве изо­бра­же­ний.

В уг­ло­вой ме­ре пре­дель­ная раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность оп­ти­че­ской сис­те­мы рав­на

или при λ = 0,56 мкм ,

(1.2)

где Д вы­ра­же­но в миллиметрах, ψ – в угловых секундах.

Пре­дель­ная раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность оп­ти­че­ской сис­те­мы, кон­тро­ли­руе­мой по штри­хо­вой ми­ре, оп­ре­де­ля­ет­ся (при λ = 0,56 мкм) в цен­тре по­ля

,

(1.3)

в ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти (по штри­хам, рас­по­ло­жен­ным вер­ти­каль­но)

,

(1.4)

в са­гит­таль­ной плос­ко­сти (по го­ри­зон­таль­ным штри­хам)

,

(1.5)

где N – чис­ло штри­хов в 1 мм; k=f´/Д – диа­фраг­мен­ное чис­ло, ω – угол на­кло­на лу­чей.

Кро­ме раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти по изо­бра­же­нию штри­хов ми­ры мож­но оце­нить ка­че­ст­во изо­бра­же­ния ис­пы­туе­мо­го объ­ек­ти­ва и вы­явить на­ли­чие абер­ра­ций: сфе­ри­че­ской, ко­мы, хро­ма­ти­че­ской, ас­тиг­ма­тиз­ма, дис­тор­сии.

Сфе­ри­че­ская абер­ра­ция ха­рак­те­ри­зу­ет­ся свет­лы­ми оре­о­ла­ми, об­ра­зуе­мы­ми во­круг изо­бра­же­ния штри­хов, и на­ли­чи­ем фо­на в ви­де сла­бо­го рас­се­ян­но­го све­та по все­му по­лю. При на­ли­чии ко­мы изо­бра­же­ние штри­хов ми­ры и то­чек на ней вы­тя­ну­то в од­ну сто­ро­ну и име­ет вид хво­ста ко­ме­ты. Хро­ма­ти­че­ские абер­ра­ции оп­ре­де­ля­ют­ся цвет­ной ок­ра­ской кра­ев изо­бра­же­ния штри­хов в ви­де фио­ле­то­вых, зе­ле­ных и крас­ных по­лос. Ас­тиг­ма­тизм оп­ре­де­ля­ет­ся раз­но­стью ме­ж­ду раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью объ­ек­ти­ва по вер­ти­каль­ным и го­ри­зон­таль­ным штри­хам. На­при­мер, ес­ли N_в = 40 мм^-1, N_г = 34 мм^-1, то ас­тиг­ма­тизм ра­вен 6 мм^-1. Дис­тор­сия (кри­виз­на изо­бра­же­ния) оп­ре­де­ля­ет­ся ка­че­ст­вен­но на­ли­чи­ем по­душ­ко­об­раз­но­го (боч­ко­об­раз­но­го) изо­бра­же­ния квад­ра­та, а так­же ко­ли­че­ст­вен­но – раз­но­стью ме­ж­ду раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью на оп­ти­че­ской оси и по по­лю. На­при­мер, при ω = 0^о N_в = 60 мм^-1, N_г = 60 мм^-1, при ω = 12^о N_в = 38 мм^-1, N_г = 46 мм^-1. Сле­до­ва­тель­но, дис­тор­сия в ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти рав­на 22 мм^-1, в са­гит­таль­ной плос­ко­сти  14 мм^-1.

Опи­са­ние ла­бо­ра­тор­ной ус­та­нов­ки

При ис­сле­до­ва­ни­ях ка­че­ст­ва оп­ти­че­ских сис­тем ис­поль­зу­ют схе­му (рис. 1.1), со­стоя­щую из ос­ве­ти­те­ля 1, ми­ры 2, кол­ли­ма­то­ра 3, ис­пы­ты­вае­мой оп­ти­че­ской сис­те­мы 4, мик­ро­ско­па 5 и 6.

Рис. 1.1. Оп­ти­че­ская схе­ма ус­та­нов­ки для кон­тро­ля ка­че­ст­ва изо­бра­же­ния оп­ти­че­ских сис­тем при по­мо­щи штри­хо­вых мир

Ла­бо­ра­тор­ная ус­та­нов­ка, по­стро­ен­ная на ос­но­ве оп­ти­че­ской ска­мьи ОСК-1ЛЦ, со­сто­ит из кол­ли­ма­то­ра с ос­ве­ти­те­лем, объ­ек­ти­во­дер­жа­те­ля и мик­ро­ско­па, ус­та­нов­лен­ных на же­ст­ком ос­но­ва­нии. Мик­ро­скоп и объ­ек­ти­во­дер­жа­тель име­ют под­виж­ки, по­зво­ляю­щие сцен­три­ро­вать объ­ек­тив и мик­ро­скоп, а так­же сфо­ку­си­ро­вать изо­бра­же­ние. В кол­ли­ма­тор встрое­на ре­воль­вер­ная го­лов­ка, по­зво­ляю­щая по­во­ро­том ее бы­ст­ро ус­та­нав­ли­вать не­об­хо­ди­мые ми­ры в фо­ку­се кол­ли­ма­то­ра.

Тех­ни­че­ские ха­рак­те­ри­сти­ки

При на­строй­ке оп­ти­че­ской сис­те­мы долж­ны быть вы­пол­не­ны ус­ло­вия:

1. Но­мер ми­ры вы­би­ра­ет­ся со­глас­но таб­л. 1.1 и исходя из значений периода штриховых линий элементов миры согласно формуле

   (1.6)

2. Ха­рак­те­ри­сти­ки ос­ве­ти­те­ля 1, кол­ли­ма­то­ра 3, оп­ти­че­ской сис­те­мы 4 и мик­ро­объ­ек­ти­ва 5 долж­ны быть со­гла­со­ва­ны ме­ж­ду со­бой и ми­ра рав­но­мер­но ос­ве­ще­на

σ1'< σ3' , Д3>Д4 , f'3>(3-6)f'4 , A5>sinσ'4 ,

(1.7)

где σ₁', σ₃', σ'₄ – апер­тур­ные уг­лы кон­ден­со­ра, кол­ли­ма­то­ра и оп­ти­че­ской сис­те­мы; Д₃, Д₄ – диа­мет­ры вход­ных зрач­ков кол­ли­ма­то­ра и объ­ек­ти­ва; A₅ – чи­сло­вая апер­ту­ра мик­ро­объ­ек­ти­ва; f’₃, f’₄ – фо­кус­ные рас­стоя­ния кол­ли­ма­то­ра и объ­ек­ти­ва.

3. Уве­ли­че­ние мик­ро­ско­па вы­би­ра­ет­ся из ус­ло­вия

< < ; ,

(1.8)

где  фо­кус­ное рас­стоя­ние оку­ля­ра; k - диа­фраг­мен­ное чис­ло объ­ек­ти­ва, d_вых – диа­метр пуч­ка лу­чей, вы­хо­дя­ще­го из мик­ро­ско­па, ко­то­рый дол­жен быть не бо­лее диа­мет­ра зрач­ка гла­за мм; Г_ок – ви­ди­мое уве­ли­че­ние оку­ля­ра, β – ли­ней­ное уве­ли­че­ние мик­ро­объ­ек­ти­ва.

По­ря­док вы­пол­не­ния ра­бо­ты

1. Оз­на­ко­миться с ла­бо­ра­тор­ной ус­та­нов­кой.

2. По­лу­чи­ть у пре­по­да­ва­те­ля ис­сле­дуе­мые объ­ек­ти­вы, ис­поль­зуя фор­му­лы (1.1) – (1.8), рас­счи­тать па­ра­мет­ры оп­ти­че­ской сис­те­мы ус­та­нов­ки (см. рис. 1.1) и ха­рак­те­ри­сти­ки оп­ти­че­ской сис­те­мы.

3. Подо­брать не­об­хо­ди­мые мик­ро­объ­ек­тив и оку­ляр. Со­брать ус­та­нов­ку, ус­та­но­вив ми­ру тре­буе­мо­го но­ме­ра.

4. Оп­ре­де­ли­ть раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность ис­сле­дуе­мой оп­ти­че­ской сис­те­мы по штри­хо­вой ми­ре. Срав­ни­ть по­лу­чен­ный ре­зуль­тат с тео­ре­ти­че­ской раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью.

5. Оп­ре­де­ли­ть раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность ис­сле­дуе­мой оп­ти­че­ской сис­те­мы на уг­лах (0,3; 0,5; 0,7)ω в ме­ри­дио­наль­ной и са­гит­таль­ной плос­ко­стях. Оп­ре­де­ли­ть вид абер­ра­ций. По­лу­чен­ный ре­зуль­тат свести в таб­ли­цу и срав­ни­ть с рас­чет­ны­ми дан­ны­ми, по­строить гра­фи­ки N_г=f(ω), N_в=f(ω).

6. Ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ния f´, N, N_г, N_в, све­сти в таб­ли­цу и сде­лать вы­во­ды.

7. Офор­ми­ть от­чет, ко­то­рый дол­жен со­дер­жать: схе­му ус­та­нов­ки, таб­ли­цы из­ме­ре­ний, гра­фи­ки функ­ций N_г=f(ω), N_в=f(ω).

Кон­троль­ные во­про­сы

1. Что та­кое раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность? По­яс­ни­те на при­ме­ре.

2. Для ка­ких це­лей слу­жат от­дель­ные эле­мен­ты ус­та­нов­ки (ми­ра, кол­ли­ма­тор, мик­ро­скоп)?

3. Ка­кие ус­ло­вия не­об­хо­ди­мо вы­пол­нить при на­строй­ке и из­ме­ре­нии на ус­та­нов­ке?

4. Ме­то­ды из­ме­ре­ния фо­кус­но­го рас­стоя­ния.

5. Ес­ли за­крыть эк­ра­ном часть вход­но­го зрач­ка объ­ек­ти­ва, то из­ме­нит­ся ли раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность?

6. Как оце­нить абер­ра­ции по изо­бра­же­нию ми­ры?

7. Ка­ким об­ра­зом мож­но оце­нить ко­ли­че­ст­вен­но ас­тиг­ма­тизм, кри­виз­ну по­ля и дис­тор­сию объ­ек­ти­ва?

8. Про­ана­ли­зи­руй­те со­став­ляю­щие по­греш­но­стей из­ме­ре­ния раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти и ука­жи­те спо­со­бы их умень­ше­ния.

9. Из ка­ких ус­ло­вий вы­би­ра­ет­ся ми­ра?

10. До­ка­жи­те спра­вед­ли­вость фор­мул (1.2), (1.3). В ка­ких слу­ча­ях они при­ме­ня­ют­ся?