Спосіб автоматичного контролю якості зображення, що створюється об’єктивами геодезичних та аерофотознімальних оптичних систем

Спосіб автоматичного контролю якості зображення, що створюються об'єктивами геодезичних та аерофотознімальних оптичних систем, заснований на релеєвській інтерпретації оцінки якості оптичної системи, що базується на аналізі зображення двох точкових світних об'єктів, який відрізняється тим, що на екрані проекційного дисплея формують два точкові світні об'єкти з заданим по напрямку вимірювання інтервалом між ними, колімують їх зображення та через об'єктив, що контролюється, направляють та фокусують на мішень багатоелементного фотоприймача з кількістю фотоелементів як мінімум два, потім переміщують ці точкові світні об'єкти по полю мішені фотоприймача перпендикулярно до лінії поділу фотоелементів з мінімальним кроком дискретизації проекційного дисплея і при кожному кроці вимірюють величину зміни освітленості світним сигналом елементів фотоприймача, при цьому за отриманими дискретними величинами зміни освітленості визначають ординати кривої розподілу освітленості на фотоприймачі і за цими даними визначають оптичну передаточну функцію та її складові - функцію передачі модуляції, функцію передачі фази, функцію розсіювання, а також розрізненість і контраст. UA (21) a201103155 (22) 17.03.2011 (24) 10.11.2011 (46) 10.11.2011, Бюл.№ 21, 2011 р. (72) БЕЛЕНОК ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ, БУРАЧЕК ВСЕВОЛОД ГЕРМАНОВИЧ, ХОМУШКО ДМИТРО ВАЛЕРІЙОВИЧ (73) БЕЛЕНОК ВАДИМ ЮРІЙОВИЧ, БУРАЧЕК ВСЕВОЛОД ГЕРМАНОВИЧ, ХОМУШКО ДМИТРО ВАЛЕРІЙОВИЧ (56) Кирилловский В.К. Оптические измерения. Часть 6. Инновационные направления в оптических измерениях и исследованиях оптических систем, /В.К.Кирилловский, Ле Зуй Туан. С-Петербург, ГУ ИТМО, 2008. SU 1520373 А1, 07.11.1989. SU 779837, 15.11.1980. RU 2018101 С1, 15.08.1994. UA 73298 C2, 15.03.2004. Ле Зуй Туан, Кирилловский В.Л. Разработка алгоритма и программы для расширения возможностей метода оценки качества изображения оптических систем //Оптический журнал, том 76, № 1, 2009. C2 2 (19) 1 3 зображення або для визначення одного з відомих критеріїв оцінки якості. Недоліком цього способу є те, що він не передбачає одночасного вимірювання як ОПФ так і розрізненості при заданому контрасті та навпаки, контрасту при заданій розрізненості. Задачею винаходу є створення способу, що дозволяє автоматично оцінювати якість зображення, що створюється об'єктивом за ОПФ та її складовими - ФПМ і ФПФ, а також ФР та забезпечує безпосереднє вимірювання контрасту при заданій розрізненості та навпаки, вимірювання розрізненості при заданому контрасті. Поставлена задача вирішується за рахунок створення способу автоматизованого контролю якості зображення, що створюються об'єктивами геодезичних та аерофотознімальних оптичних систем, заснованого на релеєвській інтерпретації оцінки якості оптичної системи, що базується на аналізі зображення двох точкових світних об'єктів. При цьому на екрані проекційного дисплея формують два точкові світні об'єкти з заданим по напрямку вимірювання інтервалом між ними, колімують їх зображення та через об'єктив, що контролюється, направляють та фокусують на мішень багатоелементного фотоприймача з кількістю фотоелементів як мінімум два. Потім переміщують ці точкові світні об'єкти по полю мішені фотоприймача перпендикулярно до лінії поділу фотоелементів з мінімальним кроком дискретизації проекційного дисплея і при кожному кроці вимірюють величину зміни освітленості світним сигналом елементів фотоприймача. За отриманими дискретними величинами зміни освітленості визначають ординати кривої розподілу освітленості на фотоприймачі і за цими даними визначають оптичну передаточну функцію та її складові - функцію передачі модуляції, функцію передачі фази, функцію розсіювання, а також розрізненість і контраст. Технічним результатом є можливість автоматично оцінювати якість зображення, що створюється об'єктивами геодезичних та аерофотознімальних оптичних систем за ОПФ та її складовими ФПМ, ФПФ, а також ФР та вимірювати контраст при заданій розрізненості і навпаки, вимірювати розрізненість при заданому контрасті. Запропонований спосіб може бути реалізований системою, схема якої представлена на фіг.1. На схемі відповідними цифрами позначено: 1 - проекційний дисплей; 2 - коліматор з від'ємним блоком стиснення; 3 - об'єктив, що контролюється; 4 - багатоелементна фотоприймальна матриця з підсилювачем сигналу; 5 - блок формування і регулювання параметрів об'єктів; 6 - блок обробки інформації; 7 - блок керування; 8 - блок індикації (дисплей); 9 - блок запису та збереження інформації; 10 - програмний блок; 11 - механізм повороту об'єктива; 12 - датчик кута повороту об'єктива; 96554 4 13 - механізм повороту фотоприймальної матриці. Проекційний дисплей 1, коліматор 2 і об'єктив 3, що контролюється, встановлені співвісно на стабільній основі. На фіг.1 подвійними стрілками позначені оптичні зв'язки, одинарними суцільними - електричні, а одинарними штрих-пунктирними механічні. Блоки системи, яка реалізує даний спосіб, зв'язані між собою наступним чином: вихід проекційного дисплея оптично зв'язаний із входом коліматора, а вхід - електрично зв'язаний із виходом блока формування і регулювання параметрів об'єктів; вихід коліматора оптично зв'язаний із входом об'єктива, що контролюється; перший вихід об'єктива, що контролюється оптично зв'язаний із входом багатоелементної фотоприймальної матриці, другий вихід - механічно зв'язаний із датчиком кута повороту, а вхід механічно зв'язаний із механізмом повороту; вхід багатоелементної фотоприймальної матриці механічно зв'язаний із виходом механізму повороту фотоприймальної матриці; перший вхід блока обробки інформації електрично зв'язаний із виходом блока керування, другий вхід - електрично зв'язаний із виходом блока формування і регулювання параметрів об'єктів, третій вхід - електрично зв'язаний із виходом багатоелементної фотоприймальної матриці, четвертий вхід - електрично зв'язаний із виходом датчику кута повороту об'єктива, перший вихід блока обробки інформації електрично зв'язаний із входом блока керування, другий вихід - електрично зв'язаний із входом блока індикації, третій вихід - електрично зв'язаний із входом блока запису та збереження інформації; перший вихід блока керування електрично зв'язаний із входом програмного блока, другий вихід електрично зв'язаний із блоком формування і регулювання параметрів об'єктів, третій вихід - електрично зв'язаний із входом механізму повороту об'єктива, четвертий вихід - електрично зв'язаний із входом механізму повороту фотоприймальної матриці, а вхід - електрично зв'язаний із виходом програмного блока. Система працює за запропонованим способом наступним чином. Блок 7 вибирає з блока 10 відповідну програму досліджень і надсилає сигнали в блоки 5, 6, 11, 13. Блок 5 формує і направляє до проекційного дисплея 1 електричні сигнали рухомих пар точкових світних об'єктів, при цьому задають програмно (в залежності від обраної в блоці 10 програми досліджень) форму точкових світних об'єктів (точка або штрих), відстань між точковими світними об'єктами (просторову частоту N), величину яскравості фону, кут повороту, зміну їх швидкості і напряму переміщення на екрані проекційного дисплея 1; інформація про встановлені параметри передається до блока 6. Блок 6 отримує необхідну інформацію про програму досліджень, яка потім використовується при оцінці якості зображення, яке створюється об'єктивом, що контролюється. Блок 11 повертає об'єктив 3 на відповідний кут, значення якого зчитується блоком 12 та надсилається до блока 6. Блок 13 повертає фотоприймальну матрицю 4 на кут, який відповідає напряму переміщення точко 5 вих світних об'єктів на проекційному дисплеї. Світлові сигнали від блока 1 надходять у коліматор 2, де зображення колімується і потім, проходячи через об'єктив 3, подається на фотоприймальну матрицю 4. Механізм повороту 11 використовується для визначення оптичних характеристик різних точок поля об'єктива, що контролюється. Зображення пари двох точкових світних об'єктів переміщують перпендикулярно лінії поділу фотоелементів з мінімальним кроком дискретизації х проекційного дисплея. При перетині на матриці 4 зображенням точкових світних об'єктів границі між сусідніми пікселами в блок 6 надходять електричні сигнали від пікселів, при цьому на кожному кроці обчислюють величину зміни освітленості світлового сигналу на елементах фотоприймача як різницю між виміряними значеннями освітленості на кожному пікселі на і-му та (і+1)-му кроці дискретизації (фіг.2). При накопиченні в блоці 6 необхідної інформації, в ньому проводяться розрахунки, результати яких надходять до блока 9, де вони зберігаються, та до блока індикації 8, з якого оператор візуально зчитує інформацію про виконане дослідження. Після закінчення вимірювань блок 6 надсилає в блок 7 інформацію про результати виконаних вимірювань. На першому кроці дискретизації ордината (величина освітленості Е1) вимірюється безпосередньо як величина засвічування піксела, а наступні значення освітленості обчислюються відносно попередніх значень за вимірюваними площами засвічування наступним чином: Еi+1 = Е(Si+1) - Е(Si), де Е(Si+1) і Е(Si) - величини освітленості площ засвічування пікселів фотоприймальної матриці на і-му та (i+1)-му кроках дискретизації при переміщенні зображення точкового об'єкта, і - номер кроку дискретизації, i  (1 n) , n - кількість кроків дис; кретизації. Зазначимо також, якщо сигнал від точкового світного об'єкта більше розміру піксела на фотоприймальній матриці, то пікселі можна об'єднати в групи програмно. Таким чином отримують значення освітленості від окремих частин дифракційної плями. ФР знаходять в блоці 6 диференціюванням функції розподілу освітленості, застосувавши перетворення Фур'є до ФР, а також отримують ОПФ. На фіг.3 показано функціональну схему системи, яка реалізує запропонований спосіб, де штрих-пунктирними стрілками з крапками позначені оптичні зв'язки, суцільними - електричні, а штрих-пунктирними - механічні. Проекційний дисплей 1 складається з рефлектора 1.1, джерела світла 1.2, конденсора 1.3, скляної захисної пластини 1.4 та ПЗЗ-матриці 1.5, що знаходиться у фокальній площині коліматора 2.1, який містить від'ємний блок стиснення 2.2. Об'єктив 3 та фотоприймальна матриця 4, яка знаходиться в її фокальній площині, встановлюються в утримувачі і повертаються механізмами повороту 11 і 13, відповідно. Запропонований спосіб дозволяє вимірювати роздільну здатність при заданому значенні контра 96554 6 сту та значення контрасту при заданій роздільній здатності. Контраст (зображення К3, об'єкта Ко) визначається за відомою формулою [1,4]: Emax  Emin  K з  E  max  Emin , (1)  Lmax  Lmin K o   Emax  Emin  де Emax і Emin - максимальна і мінімальна освітленості у площині зображення; Lmax і Lmin - максимальна і мінімальна яскравості у площині об'єкта. Контраст об'єкта Ко визначають за значеннями Lmax тa Lmin, які задають програмно, шляхом встановлення величин яскравості точкових об'єктів та фону на матриці проекційного дисплея. Для визначення Еmin блок обробки інформації 6 порівнює значення освітленості від кожного піксела на двох послідовних кроках дискретизації: точка, при переході через яку відбувається зміна монотонного спадання освітленості на зростання (в малому колі цієї точки, що відповідає малому кроку дискретизації, значення освітленості є більшим, ніж в цій точці) буде мати мінімальне значення освітленості Еmin. Так само знаходимо Еmах, як значення освітленості в точці при переході через яку відбувається зміна монотонного зростання освітленості на спадання. За отриманими значеннями Еmах і Еmіn знайдемо шукане значення контрасту зображення за формулою (1). Для визначення розрізненості об'єктива при заданому значенні контрасту (який задається зміною яскравості фону) формують на проекційному дисплеї зображення двох точкових світних об'єктів, які розташовані таким чином, що їх площі накладаються. На фотоприймальній матриці матимемо відповідне зображення пари точок, відстань між центрами яких вимірюють. Ці точки переміщують перпендикулярно лінії поділу фотоелементів з мінімальним кроком дискретизації проекційного дисплея. Від зображення двох світних точок отримують графік функції освітленості, який характеризується двома максимумами, що відповідають центрам кіл Ері двох точок, та спадаючою кривою між максимумами (фіг.2). Про розрізненість об'єктива судять по відстані N між максимумами та по спадаючій кривій між ними (глибині сідловини b) [5]. Контраст зображення та розрізненість обчислюються блоком обробки інформації 6, з якого вони надходять в блок індикації 8 та блок запису та збереження інформації 9. Слід також зазначити про похибку за чутливість окремих пікселів на фотоприймальній матриці, яку можна знизити тим, що пару точкових світних об'єктів можна переміщувати і на наступні піксели як вздовж так і впоперек матриці, при цьому беручи середнє значення освітленості на і-му кроці дискретизації від різних пікселів. Згідно з [4] ОПФ також можна визначити за формулою: K T(N)  T(N) e i(N)  з e i(N) , (2) Ko 7 де Kз і Ko визначають за формулою (1). Фазовий зсув (N) вказує на невідповідність координати точки зображення відносно ідентичної точки об'єкта. Для його знаходження переміщують із заданим кроком пару точкових світних об'єктів по полю проекційного дисплея зі швидкістю, однаковою для обох точок. Оскільки відстані між двома точковими світними об'єктами на проекційному дисплеї відповідає певна теоретична відстань між їх зображеннями на фотоприймальній матриці (при відсутності аберацій), то різниці х' між виміряною відстанню між зображеннями об'єктів на фотоприймальній матриці і її теоретичним значенням буде відповідати фазовий зсув зображення. Теоретична відстань визначається за відомими параметрами системи. Таким чином фазовий зсув  (N) визначають за формулою [1]: (3) =2Nx', Таким чином запропонований спосіб дозволяє автоматично оцінювати якість зображення, що створюється об'єктивами геодезичних та аерофотознімальних оптичних систем за ОПФ та її складовими - ФПМ, ФПФ, а також за ФР і забезпечує безпосереднє вимірювання контрасту при заданій розрізненості та навпаки - вимірювання розрізненості при заданому контрасті. Джерела інформації: 96554 8 1. Креопалова Г. В. Оптические измерения [учебник для вузов по специальностям "Оптикоэлектронные приборы" и "Технология оптического приборостроения"] / Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т.; под общей ред. Д.Т. Пуряева. М.: "Машиностроение", 1987. - 264 с. 2. Кучеренко O.K. Аппаратура для контроля качества объективов прицелов стрелкового оружия / O.K. Кучеренко // Артиллер. и стрелковое вооружение.-2009. - N 1. - С. 25-30. 3. Кирилловский В. К. Оптические измерения. Часть 6. Инновационные направления в оптических измерениях и исследованиях оптических систем / В.К. Кирилловский, Ле Зуй Туан. - СанктПетербург: ГУ ИТМО, 2008. - 131 с. 4. Волосов Д. С. Фотографическая оптика: теория, основы проектирования, оптич. характеристики [учебное пособие для киновузов] / Волосов Д.С. - М.: Искусство, 1978. - 543 с. 5. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов/ Чуриловский В.Н. - М., Л.: Машиностроение, 1966. - 564 с. 6. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: [учебное пособие для вузов]/ Мирошников М.М. - Л.: Машиностроение, 1977. - 600 с. 7. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика / Максутов Д.Д. - Л.: Наука, 1979. - 395 с. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 96554 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601