Способ автоматического определения фокуса оптической системы и устройство для его осуществления

Способ автоматического определения фокуса оптической системы и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки изображений и прецизионных контрольных, юстировочных и измерительных комплексах. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности. Способ заключается в экранировании центральной части изображения удаленного объекта с глубинным сканированием при непрерывном симметрировании анализатора изображения. Устройство состоит из последовательно установленных на оптической оси источника излучения 1, конденсатора 2, точечной диафрагмы 3, объектива коллиматора 4, контролируемого объектива 21, модулятора 5, многоэлементного приемника излучения 6, а также блока разностной обработки 7, блока электронной обработки 10, задающего генератора 11, привода глубинного сканирования 12 и приводов 8 и 9 поперечного перемещения модулятора 5. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ьа

Вв

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4604664/24-10 (22) 15.08.88 (46) 15.06.90. Бюл. N. 22 (71) МГТУ им. Н.Э.Баумана (72) Н,М.Вереникина, Д;В.Зубков и

Q.Â.Ðîæêîâ (53) 681.4.072 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 464796, кл. G 01 М 11/00, 1973. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОКУСА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптиЧескому приборостроению и м.б. использовано a оптико-электронных системах обработки изображений и прецизионных контрольных, „„59„„1571458 А1

<я>з G 01 M 11/00,6 03 8 3/00 юстировочных и измерительных комплексах. Цель изобретения — повышение точности и чувствительности. Способ заключается в экранировании центральной части изображения удаленного объекта с глубинным сканированием при непрерывном симметрировании анализатора изображения.

Устройство состоит из последовательно установленных на оптической оси источника излучения 1, конденсора 2, точечной диафрагмы 3, объектива коллиматора 4, контролируемого объектива 21, модулятора 5, многоэлементного приемника излучения 6, а также блока разностной обработки 7, блока электронной обработки 10, задающего генератора 11, привода глубинного сканирования 12 и приводов 8 и 9 поперечного перемещения модулятора 5, 2 с.и. ф-лы, 3 ил, 1571458 ределения фокуса оптической системы; на фиг.2 — функциональная схема блока разно- 20 стной обработки, на фиг,3 — функциональная схема блока электронной обработки.

30

35 виде четырехгранной правильной усечен- 40 ной зеркальной пирамиды, четырехэлемен45

Изобретение относи ся к оптическому, приборостроению и может быть использоi вано для определения дифракционного фокуса, степени расфокусировки, значения фокусного расстояния оптической системы

s любой части спектрального диапазона при исследовании оптической системы в процессе ее изготовления, испытания и юстировки, а также осуществления точной автоматической фокусировки объективов, аэрофотосъемки, астрономических телеско пов, зрительных труб и других оптических систем, преимущественно высококачественных.

Цель изобретения — повышение точности и чувствительности.

На фиг.1 изображена фучкциональная схема устройства для автоматического onПредлагаемый способ определения фокуса оптической системы характеризуется исключением центральной части изображения из последующего анализа интенсивности путем применения диафрагмы с центральным экраном при одновременном непрерывном поперечном перемещении анализатора. Положению наилучшей установки соответствует равенство минимальных значений интенсивности модулированной оставшейся части изображения.

Предлагаемое устройство состоит (см фиг.1) из последовательно установленных вдоль оптической оси источника 1 излучения, конденсора 2, точечной диафрагмы 3, объектива коллиматора 4, модулятора 5 в тного приемника 6 излучения, каждый из элементов которого электрически связан с соответствующим входом блока 7 разностной обработки сигналов, выходы которого соответственно связаны со входами привода 8 горизонтального поперечного перемещения модулятора 5 и привода 9 вертикального поперечного перемещения модулятора 5. Малое основание зеркальной пирамиды модулятора 5 выполнено непрозрачным. С другой стороны выходы всех злементов приемника излучения 6 электрически связаны с первым входом блока 10 электронной обработки, второй вход которого связан с первым выходом задающего генератора 11, в свою очередь второй выход задающего генератора 11 электрически связан с входом привода 12 глубинного сканирования, дополнительный вход кото5

15 рого связан с выходом блока 10 электронной обработки., Блок 7 разностной обработки выполнен двухканальным: первый канал состоит из дифференциального (разностного) усилителя 13 и интегратора 14, второй канал состоит из дифференциального усилителя 15 и интегратора 16 (см. фиг.2). Входы дифференциального усилителя 13 подключены к паре элементов 6 фотоприемника, оптически связанными с противоположными зеркальными гранями модулятора 5 и расположенными в горизонтальной плоскости. Пара элементов 6, дифференциальный усилитель 13, интегратор 14 и привод 8 горизонтального перемещения образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 в горизонтальном направлении. Другая пара элементов 6, дифференциальный усилитель

15, интегратор 16 и г;ривод 9 образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 в вертикальном направлении;

Блок 10 электронной обработки содержит сумматор 17, усилитель 18, амплитуднофазовый детектор 19 и интегратор 20. Все четыре элемента 6, сумматор 17, усилител:, 18, амплитудно-фазовый детектор 19, интегратор 20 и привод 12 глубинного сканирования образуют замкнутый контур автоматического регулирования положения модулятора 5 вдоль оптической оси контролируемой оптической системы 21.

Устройство работает следующим образом, Конденсор 2 формирует изображение источника 1 излучения в плоскости точечной диафрагмы 3, задающей размер поля зре ния коллимирующего объектива 4, В задней фокальной плоскости контролируемого объектива 21 формируется дифракцианное изображение точечной диафрагмы 3.

Модулятор 5 совершает возвратно-поступательное движение под действием пьезоэлектрического привода 12 глубинного сканирования, осуществляя при этом пространственно-временную модуляцию изображения, Сигналы с противоположных элементов приемника 6 излучения поступают на два разностных усилителя 13 и 15 блока 8 (условно вертикального и горизонтального каналов) и затем на вход интеграторов 14 и 16 блока 8. После интегрирования сигнал ошибки подается соответственно на вертикальный 9 и горизонтальный 8 пьезоэлектрический привод поперечного перемещения модулятора 5. Таким образом, осуществляется обратная связь по сигналу, что позволяет осуществлять непрерывное

1571458 симметрирование модулятора 5 относительно изображения, С другой стороны сигналы со всех элементов приемника 6 излучения поступают на сумматор 17 блока 10, после усиления усилителем 18, фильтрации с помощью амплитудно-фазового детектора 19 сигнал рассогласования подается на выходной интегратор 20, осуществляющий управление средней точкой глубинного сканирования модулятора 5. Сигнал с выходного интегратора 20 подается на дополнительный вход привода 12. Глубинное сканирование осуществляется под управлением задающего генератора синусоидальных колебаний 1, кроме того, сигнал с задающего генератора

11 в качестве опорного подается на амплитудно-фазовый детектор 19 блока 10, Постсяниая времени контура центрирования модулятора 5 должна быть существенно меньше частоты колебаний, вырабатываемых задающим генератором 11, Применение предлагаемого способа и устройство позволяет отслеживать направление и величину расфокусировок контролируемого объектива или точечной диафрагмы, а также существенно повысить точность определения положения фокальной плоскости оптической системы, а следовательно, повысить точность измерений, проводимых с помощью данной оптической системы, например, определения дальности, координат объектов, пространственных частот объектов, а также качества исследуемых оптических систем.

Для получения максимальной чувствительности в модуляторе 5 диаметр вписанной окружности d меньшего светопоглощающего основания выбирается из соотношения = 7Л К,. где ц = 1,4 — 2,44 — коэффициент пропорциональности, зависящий от амплитуды глубинного сканирования и аберрационных характеристик контрольного объектива; il— длина волны излучения источника; К вЂ” геометрическое диафрагменное число контролируемого обьектива.

Экранирование центральной части изображения удаленного источника света приводит к значительному повышению чувствительности способа при малой степени расфокусировки. В дифракционно-ограниченной оптической системе (ДООС) первый минимум освещенности наблюдается при угле дифракции ф определяемом по формуле

sin tP = m 4/D, где m — коэффициент, зависящий от формы (выходного) зрачка объектива (иапример. для квадратного зрачка п11- 1, для круглого в = 1,22 и т.д.); А- длина волны излуче5 ния; D — размер (выходного) зрачка объектива (диаметр — для круглого значка).

Тогда размер первого темного кольца в изображении удаленного источника света в задней фекальной плоскости объектива с

10 фокусным расстоянием f запишется как

d< =2f т9ф=2ml К в предложении малости угла дифракции ф

Здесь K, = f /D геометрическое диафраг1 менное число объектива — величина, обратная его относительному отверстию, Диаметр вписанной окружности d меньшего светопоглощающего основания усеченной правильной зеркальной пирамиды модулятора 5 определяется на основании анализа распределения энергии в выходной плоскости с учетом различных факторов, таких как аберрационные характеристики контрольного объектива, характер освещения, амплитуда глубинного сканирования и т.д. Проведена оптимизация размера d на

ЭВМ с целью повышения отношения сигнал/шум (ОСШ) и чувствительности, а именно увеличения переменной составляющей

ФЛ и уменьшения постоянной составляющей Wp анализируемого сигнала; показано. что диаметр d равен d> — размеру первого темного кольца для ДООС с равномерной освешенностью (выходного) зрачка, а в остальных- случаях б < d1.

Формула изобретения

1. Способ автоматического определения фокуса оптической системы, заключающийся в том, что формируют изображение удаленного источника света, экранируют часть изображения анализатором с центральной симметрией. модулируют оставшуюся часть изображения путем глубинного сканирования анализатора, измеряют интенсивность оставшейся части изображения и уравнивают интенсивность оставшейся части изображения в крайних положениях анализатора путем смещения средней точки диапазона сканирования вдоль оптической оси оптической системы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, экоаиируют центральную часть иэображения и одновременно с глубинным сканированием осуществляют непрерывное симметрирование модулированной части изображения путем поперечного перемещения анализатора.

2. Устройство для автоматического определения фокуса оптической системы, соСоставитель В.Архипов

Техред M,MDðãeèòàë Корректор Л.Патай

Редактор В.Андреев

Заказ 1506, Тираж 439 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 держащее источник излучения, конденсатор, точечную диафрагму, объектив коллиматора, контролируемую оптическую систему, модулятор, приемник излучения, блок электронной обработки,- задающий генератор и привод глубинного сканирования модулятора, причем задающий генератор подключен к приводу глубинного сканирования модулятора и к первому входу блока электронной обработки, приемник излучения подключен к второму входу блока электронной обработки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, в него введены два привода поперечного перемещения модулятора с взаимно перпендикулярными направляющими перемещения, блок разностной обработки из двух каналов, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных дифференциального усилителя и интегратора, выход которого подключен к соответствующему приводу поперечного перемещения модулятора. модулятор выполнен в виде правильной усеченной четырехгранной зеркальной пирамиды с

5 непрозрачным малым основанием, приемник излучения выполнен четырехэлементным, каждый элемент которого оптически связан с соответствующей зеркальной гранью модулятора, блок электронной обра10 ботки выполнен из последовательно соединенных сумматора, амплитудно-фазового детектора и интегратора, выход которого подключен к приводу глубинного сканирования модулятора, при этом входы суммато15 ра. блока электронной обработки подключены к элементам приемника излучения, а входы каждого дифференциального усилителя блока разностной обработки подключены к элементам приемника излучения, 20 оптически связанным с противоположными зеркальными гранями модулятора.