I.2. Принцип действия оптико-электронной системы (оэс) для измерения дефокусировки объективов фазовым методом

Функциональная схема ОЭС для измерения дефокусировки при некогерентном освещении тест-объекта приведена на рис. 1. Источник некогерентного излучения через конденсор 2 подсвечивает тест-объект 3, представляющий собой плоскую решетку с косинусоидальным распределением коэффициента пропускания вдоль оси х. Тест-объект расположен в передней фокальной плоскости объектива коллиматора и имеет неограниченные размеры вдоль оси х и перемещается вдоль нее с постоянной скоростью V_x.

Рис. 1. Функциональная схема устройства измерения дефокусировки объектива:

I - источник излучения, 2 - конденсор. 3 - тест-объект, формирующий входной типовой сигнал, 4 - объектив коллиматора, 5 - контролируемый объектив, 6 - анализирующая щель, 7 – приемник оптического излучения измерительного канала, 8 и 10 - избирательные усилители, 9 - ножевая диафрагма, 11 - приемник оптического излучения опорного канала, 12 - конденсор опорного канала, 13 - источник излучения опорного канала.

Оптическая система {коллиматор – контролируемый объектив} формирует изображение тест-объекта в фокальной плоскости контролируемого объектива. В случае, если контролируемый объектив (КО) установлен правильно, то плоскость анализирующей щели (АЩ) совпадает с фокальной плоскостью КО.

Если контролируемый объектив установлен правильно, то плоскость анализатора изображения совпадает с фокальной плоскостью контролируемого объектива. Если объектив смещен вдоль оптической оси, то плоскость анализатора изображения не совпадает с фокальной плоскостью контролируемого объектива и появляется продольная дефокусировка.

Оптическая волна, несущая информацию о тест-объекте, проходит через анализатор изображения и попадает на фотоприемное устройство (ФПУ).

Сигнал с фотоприемного устройства поступает на избирательный усилитель, настроенный на частоту модуляции тест-объекта. В фазе сигнала содержится информация о величине дефокусировки. С помощью фазового детектора данного датчика фазы измеряется разность фаз сигналов основного и опорного каналов.

Ножевая диафрагма осуществляет экранирование пучка, падающего на объектив коллиматора. Экранировка производится таким образом, чтобы через систему {коллиматор - контролируемый объектив} не проходила составляющая спектра тест-объекта с частотой:

_х = 1\(Т_х ||).

Чтобы весь поток излучения, прошедший через анализатор изображения, попадал на чувствительную площадку фотоприемного устройства и засвечивал ее равномерно, после анализатора изображения устанавливают конденсор, который сопрягает выходной зрачок объектива с чувствительной площадкой фотоприемного устройства.

I.3. Преобразование оптического и электронного сигналов основными блоками оэс для измерения дефокусировки объективов

Рассмотрим формирование сигнала на выходе избирательного усилителя 8 основного канала при частично экранированном вводном зрачке контролируемого объектива при наличии продольной дефокусировки.

Рассмотрим сначала условие, когда тест – объект подсвечивается квазимонохроматическим излучением.

Частотно-временной спектр сигнала на выходе приемника оптического излучения, сформированный квазимонохроматическим потоком оптического излучения, прошедшим тест - объект, который перемещается равномерно прямолинейно вдоль оси х со скоростью V_x, определяется выражением:

(1)

где:

(2)

где:  - телесный угол, на который опирается входной зрачок системы {коллиматор - контролируемый объектив}; _ос - пропускание ОС; К=S_max•S_отн; ^об(_х,_y) - пространственный спектр яркости тест - объекта; ^об(_х,_y) - ОПФ система {коллиматор - контролируемый объектив}; =f’_oб/f’_к - линейное увеличение системы {коллиматор - контролируемый объектив}; ^*_щ(_х,_y) - функция, сопряжения с ППФ анализирующей щели; ^пи_t(_t) – передаточная функция приемника оптического излучения.

Сигнал на выходе приемника оптического излучения при полихроматическом излучении определяется выражением:

U(t) =

(3)

где: U(t)_= F^-1{ }.

Алгоритмы вычисления выражений, входящих в выражение для вычисления частотно-временного спектра сигнала на выходе приемника оптического излучения:

I.3.1. Яркость тест-объекта описывается зависимостью:

(4)

I.3.2. Пространственно-частотный спектр яркости тест-объекта:

(4)

I.3.3. Пространственно-частотный спектр яркости на выходе коллиматора:

(5)

I.3.4. Пространственно-частотный спектр яркости изображения после ножевой диафрагмы:

(6)

I.3.5. ОПФ оптической системы {коллиматор - контролируемый объектив}:

(7)

I.3.6. ОПФ оптической системы при наличии дефокусировки L и с учетом частичной экранировки входного зрачка определяется зависимостью:

(8)

(9)

I.3.7. Передний телесный угол , на который опирается оптическая система {коллиматор - контролируемый объектив} (рис.2).

Рис. 2.

(10)

где: ||=f’_об\f’_кол - линейное увеличение оптической системы {коллиматор - контролируемый объектив}; 2d - размер неэкранированной части входного зрачка; 2_m - размер входного квадратного зрачка; p - расстояние от тест-объекта до входного зрачка системы {коллиматор - контролируемый объектив}.

I.3.8. Пространственная передаточная функция анализатора изображения. В качестве анализатора изображения (АИ) используется щелевая диафрагма (рис. 3).

Рис. 3.

Функция пропускания АИ

(11)

Пространственная передаточная функция АИ определяется:

(12)

I.3.9. Частотно-временной спектр потока оптического излучения на выходе анализатора изображения определяется подстановкой в (2) выражение (6), (9) и (12):

(13)

I.3.10. Частотно-временной спектр сигнала на выходе приемника оптического излучения определяется выражением:

(14)

I.3.11. Частотно-временной спектр на выходе электронного тракта определяется выражением:

_эт(_t) = ^ _эт(_t) (15)

где: _эт(_t) – передаточная функция электронного тракта (рис. 4).

_эт(_t) = К_ус ^ rect (_t\_t){(_t -_t0) + (_t +_t0)} (16)

где:  - полоса пропускания электронного тракта;

_t0 – центральная частота полосы пропускания электронного тракта.

Рис. 4

Сигнал на выходе электронного тракта определяется выражением:

(17)

(18)

(19)

где:

Подставляя (18) и (19) в (17) определяется окончательное выражение для определения сигнала с приемника оптического излучения для частично экранированного зрачка при полихроматической подсветке тест-объекта:

(20)

где:

I.3.12. Определение отношения сигнал/шум. Один из основных параметров датчика дефокусировки определяется исходя из требуемого отношения сигнал/шум (S\N).

В датчиках дефокусировки, как правило, преобладает шум приемника излучения ^ш_u(_t), который можно рассматривать в виде композиции белого { ^ш_б(_t)} и избыточного { ^ш_изб(_t)} шумов (рис. 5).

(21)
	Рис. 5

(22)

(23)

Спектральную плотность белого шума приемника оптического излучения можно оценить через обнаружительную способность D*_max и площадь чувствительной площадки А_пи приемника:

(24)

Окончательно отношение сигнал\шум на выходе фазового детектора определяется выражением:

S\N = (U_эт _с)\_ш =

(25)