Исследование объектива микроскопа методом компьютерной изофотометрии с накоплением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 535.317.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТИВА МИКРОСКОПА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИЗОФОТОМЕТРИИ С НАКОПЛЕНИЕМ

Ле Зуй Туан, В.К. Кирилловский

Разработан и исследован метод компьютерной изофотометрии функции рассеяния точки (ФРТ) и соответствующая аппаратура для контроля качества изображения микрообъектива путем измерения ФРТ прямым методом и последующего расчета частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и функции концентрации энергии (ФКЭ). С точки зрения потребителя, эксплуатирующего оптическую систему, строящую изображение, важнейшая задача контроля и аттестации - измерение действительной структуры изображения и сопоставление полученного результата с расчетной характеристикой. Обработка данных ведется в реальном времени, что позволяет получать результаты в кратчайшие сроки, при этом ФРТ определяется с передачей тонкой дифракционной структуры изображения тест-объекта, отображается трехмерный график ФРТ, что повышает надежность и достоверность результатов. Ключевые слова: микрообъектив, контроль качества изображения, компьютерная изофотометрия.

Введение

Цель данной работы состояла в разработке и исследовании метода компьютерной изофотометрии ФРТ и соответствующей аппаратуры для контроля качества изображения микрообъектива путем измерения ФРТ прямым методом в диапазоне более пяти порядков (105) при сохранении максимального отношения сигнала к шуму на всем диапазоне и последующего расчета ЧКХ и ФКЭ.

С точки зрения потребителя, эксплуатирующего оптическую систему, строящую изображение, важнейшей задачей контроля и аттестации является измерение действительной структуры изображения и сопоставление полученного результата с расчетной характеристикой. Для решения этой задачи традиционно существует ряд методов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки [1]. Большинство из них основываются на строчном сканировании оптического изображения точечного тест-объекта приемником излучения, имеющим непрерывную, плавно возрастающую световую характеристику, для получения ФРТ. Основным недостатком метода сканирования является ограниченный диапазон измерения перепада освещенности в изображении, который, как правило, не превышает двух порядков. С другой стороны, для получения корректных результатов при расчетах ЧКХ и функции концентрации энергии необходимо, чтобы ФРТ была определена в диапазоне перепада освещенностей (от максимального до минимального) не менее 3-5 порядков. Существующие приемники изображения не позволяют производить измерения в таком широком диапазоне.

В связи с этим были поставлены следующие задачи исследования:

1. модернизация и компьютеризация метода и аппаратуры измерения ФРТ с целью расширения диапазона измеряемых освещенностей и сохранения максимального отношения сигнала к шуму на всем диапазоне;

2. автоматизация процесса изофотометрии путем создания системы регистрации ФРТ видеокамерой, управляемой компьютером в процессе измерения;

3. создание и исследование компьютеризированной установки для испытания объектива микроскопа путем прямого измерения ФРТ в широком диапазоне перепада освещенности в изображении точечного тест-объекта;

4. разработка оригинального программного обеспечения для широкодиапазонного исследования ФРТ методом компьютерной изофотометрии и расчета по ФРТ характеристик качества изображения, таких как ЧКХ и функция концентрации энергии.

Теоретические основы метода исследования качества изображения

Для решения задачи количественной оценки качества изображения оптики можно использовать метод оценки функции распределения освещенности в изображении светящейся точки (ФРТ), полученной путем прямого измерения структуры пятна рассеяния. ФРТ используют как первичную характеристику качества изображения, так как она позволяет расчетным путем перейти к другим требуемым характеристикам и критериям качества изображения, таким как функция рассеяния линии (ФРЛ), частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), функция концентрации энергии [2].

На контрастность изображения, даваемого реальной оптической системой, могут влиять рассеянный свет, направленность освещения и т.д. При экспериментальном определении ЧКХ объективов традиционно пользуются мирой, имеющей синусоидальную структуру. Изображение миры сканируют узкой щелью. При исследованиях микрообъективов не удается изготовить миры необходимой частоты. Здесь тест-объектами служат точечные и щелевые отверстия в покровном стекле, алюминированном по специальной технологии. Чаще всего они применяются для визуальной оценки качества изображения по виду дифракционного изображения точки, построенного испытуемым микрообъективом. Поэтому в современных условиях производства, при повышении требований к качеству изображения оптических систем, разрабатываются методы количественной оценки структуры пятна рассеяния. Совокупность этих методов можно разбить на три основные группы:

1) методы фотоэлектрического сканирования [1];

2) методы фотографической фотометрии [3];

3) изофотометрические методы [4].

Линейный участок световой характеристики для существующих фотоприемников в режиме непрерывного сканирования не позволяет надежно определять ФРТ при перепадах освещенности более чем в 100 раз. В то же время практика исследования ФРТ реальных приборов показывает, что для достоверной оценки концентрации энергии в пятне рассеяния необходимо измерить ФРТ в пределах 4-5 порядков (104-105).

Изофотометрия с изменяющимся временем накопления

Для устранения рассмотренных недостатков традиционных методов определения ФРТ с 1974 г. ведется разработка изофотометрических методов анализа пятна рассеяния [4]. Эти методы позволяют регистрировать в пятне рассеяния перепады освещенности более чем в 5 порядков, строить графики ФРТ в любом сечении, топограмму распределения освещенности, а также вычислять концентрацию энергии в пятне и ЧКХ объектива. Изофотометрическая регистрация ФРТ нашла применение при контроле ряда прецизионных оптических систем и крупнейших астрономических зеркал (в том числе для телескопа БТА).

Рассмотрим принципиальное отличие в механизме оценки структурных характеристик изображения по методу изофот. Для получения системы изофот (изофотограм-мы) исследуемого распределения освещенности необходимо использовать функцию преобразования (ФП) типа «гребенка» (лат. comb). Эта функция имеет вид ряда равномерно расположенных импульсов. Выполняется регистрация оптического изображения тест-объекта в виде серии последовательных кадров при осуществлении ряда экспозиций различной длительности. Удобно длительности экспозиций располагать по шкале, определяемой степенным законом:

t, = 2"' ,

где t - относительная продолжительность экспозиции.

Равномерная шкала логарифмов экспозиции позволяет последовательно «наводиться» импульсной характеристической кривой на равномерный ряд фотометрических сечений, расположенных по логарифмическому закону изменения интенсивности. Для построенного семейства характеристических кривых Dn = f(lgE) при t=const, исходя из известного соотношения взаимозаместимости, имеем: H = Et,

где E - освещенность в оптическом изображении, Н - экспозиция для формирования фиксированного значения оптической плотности в фотоизображении на среднем участке световой характеристики с минимальным уровнем шума. Каждой отдельной изофоте соответствует соотношение из следующей серии:

Ei=H/ti; E2=H/t2... En=H/tn .

Нормируя полученный ряд освещенностей к значению максимальной освещенности в данном распределении, получим выражение в относительных (безразмерных) единицах:

E =1/t .

^отн 1/1отн •

При этом время удобно задавать в целых числах, а относительную освещенность

- в долях от максимального значения, принятого за единицу. Последние две формулы являются основными выражениями структурометрического метода изофотометриче-ской регистрации. Таким образом, при использовании приемника изображения с импульсной функцией преобразования, изменяя время накопления на приемнике изображения, достигаем эффекта перемещения импульсной функции преобразования в новые положения вдоль оси lg E.

На практике, при контроле качества изображения оптической системы, изображение светящейся точки, построенное исследуемой системой, многократно фотографируют на однотипный фотоприемник при различных длительностях экспозиции. Изофо-ты различных уровней, расположенные на отдельных снимках, после оконтуривания совмещают в топограмму распределения освещенности (изофотограмму).

Достоинства метода изофотометрии с переменным накоплением:

- большой диапазон измеряемого перепада освещенностей в пятне рассеяния (свыше 104);

- высокая светочувствительность, что особенно важно при недостатке световой энергии в схеме, например, при контроле оптических поверхностей без зеркального покрытия;

- постоянное отношение сигнала к шуму от максимальных до минимальных регистрируемых интенсивностей.

К недостаткам этого метода в традиционном исполнении следует отнести необходимость получения серии кадров с нарастающим временем экспозиции; это требование приводит к снижению оперативности исследований.

Разработка методики компьютерной изофотометрии ФРТ микрообъектива

В данной работе за основу был взят метод изофотометрии с переменным накоплением. На основе этого метода создана установка (рис. 1) для контроля качества изображения по ФРТ микрообъектива. Камера превращает изображение пятна рассеяния в видеосигнал и посылает в компьютер через порт USB. В качестве приемника изображения применяется телевизионная камера с матрицей, включен блок ввода информации в компьютер. Разработано и установлено программное обеспечение, позволяющее быстро формировать и точно анализировать изображения больших массивов изофот.

Метод компьютерной изофотометрии основан на получении серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции при помощи матричной камеры,

соединенной с компьютером, для получения совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности (рис. 2). Каждое фотометрическое сечение формируется как фигура с четким контуром, который называется изофотой. Из системы изофот получаем карту распределения относительной освещенности ( Е ) в пятне рассеяния.

1 2 3

л.

X

10

Э

Рис. 1. Принципиальная схема установки для контроля качества изображения микрообъектива методом лазерной компьютерной изофотометрии ФРТ: 1 - лазер, 2 - фотометрический клин; 3 - система для фокусировки лазерного пучка, 4 - точечная диафрагма, 5 - микрообъектив, формирующий точечный тест-объект, 6 - исследуемый объектив, 7 - изображение точечного тест-объекта (пятно рассеяния), 8 - проекционный микрообъектив, 9 - ПЗС (приемник изображения), 10 - компьютер

• ■ ф

П"

/=32

ФРТ Е= 11 / = 1

(ху \ / = 2

0,25 \ / = 4

0,125 / \ / = 8

/ \ / = 16

-£- -^-

В

изофота

У

изофотограмма

Рис. 2. Схема метода изофотометрии с переменным временем накопления

4

5

6

9

8

Для компьютеризации метода используются серийные цифровые видеокамеры, которые обладают способностью изменения времени накопления в широком диапазоне, что обеспечивает изофотометрию освещенности в пятне рассеяния в диапазоне более четырех порядков. Для созданной экспериментальной установки была использована

недорогая матричная видеокамера УЛС-135; ее диапазон изменения относительного времени накопления составляет 1-2047, т.е. свыше трех порядков.

Рис.3. Схема алгоритмического решения компьютерной версии задачи изофотометрии с переменным накоплением

На рис. 3 показана схема алгоритмического решения компьютерной версии задачи изофотометрии с переменным накоплением. В исходном состоянии значение длительности экспозиции (выдержки при фоторегистрации) для цифровой камеры установлено минимальным, а фотометрический клин введен таким образом, что световой поток в схеме контроля формирует изображение, дающее изофоту в виде точки (первая изофо-та). Эта изофота соответствует максимуму интенсивности Е1, который принимаем рав-

ным единице. В процессе измерения после установки увеличенного времени экспозиции ¿2=£/1 программа выполняет регистрацию фотографии пятна рассеяния и вводит ее в модуль выделения изофоты. Эта изофота является контуром фотометрического сечения, соответствующего новому уровню относительной освещенности Е2=/1/?2.

Таким образом, Еп = 1/ 1п = ^ / (п - порядковый номер изофоты), поэтому изофота помещается в систему координат на уровень Е п, который записывается в память. Когда ^ > ¿тах, работа программы заканчивается, и на мониторе появляется графическое отображение ФРТ.

Совокупность ряда фотометрических сечений и суммированного в пространственных координатах их исходного взаимного расположения представляет собой объемную диаграмму ФРТ, т.е. функцию распределения интенсивности в изображении точечного источника, построенном исследуемой оптической системой, без применения аппроксимации. Обработка полученных данных ведется в реальном времени, что позволяет получать результаты в кратчайшие сроки, при этом ФРТ определяется с передачей тонкой дифракционной структуры изображения тест-объекта, что повышает надежность и достоверность результатов контроля. Производится визуализация трехмерного графика фотометрической структуры ФРТ и расчет характеристик качества изображения, таких как ЧКХ и функция концентрации энергии. При испытаниях комплекса исследовался микрообъектив-ахромат 8x0,20. Как видно из рис. 2, результаты эксперимента хорошо согласуются с расчетными данными.

Результаты обработки, полученные с помощью программы

На основе найденного алгоритмического решения компьютерной версии задачи изофотометрии с переменным накоплением разработано программное обеспечение ККО [5], обеспечивающее автоматическую широкодиапазонную изофотометрию изображения точечного тест-объекта при помощи матричной цифровой камеры, управляемой компьютером (рис. 4-12). Интервал между последовательными выдержками настолько мал, что ряд последовательных изофот сливается в сплошную поверхность, отображающую ФРТ со всеми подробностями ее дифракционной картины.

Рис. 4. Дифракционное изображение точечного тест-объекта (экспозиция, оптимальная для визуальной оценки)

Рис. 5. Дифракционное изображение точечного тест-объекта

(максимальная экспозиция по изофотометрической шкале)

Рис. 6. Изофотограмма (иллюстративная версия)

Е/Е

-0,12 -0.1 -0.

у, мм

Рис. 7. График функции рассеяния точки (в двух сечениях)

Рис. 8. Поверхность функции рассеяния точки

Е/Еп

0.01

0.001

0.000

-0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 О.ОБ 0.08 0.1 0.12

у, мм

Рис. 9. График функция рассеяния точки в логарифмическом масштабе

Е/Еп

у, мм

Рис. 10. График функции концентрации энергии

у, мм

Рис. 11. Пограничная кривая

Е/Ет

у, мм

Рис. 12. График функции передачи модуляции (ЧКХ) в плоскости изображения,

построенного микрообъективом

Заключение

1. Разработан и исследован метод компьютерной изофотометрии ФРТ и соответствующая аппаратура для контроля качества изображения микрообъектива путем измерения ФРТ прямым методом при расширении диапазона измеряемых освещенно-стей и сохранении максимального отношения сигнала к шуму на всем диапазоне.

2. Автоматизирован процесс изофотометрии путем создания системы регистрации ФРТ видеокамерой, управляемой компьютером в процессе измерения.

3. Создана и исследована компьютеризированная установки для испытания объектива микроскопа путем прямого измерения ФРТ.

4. Разработано оригинальное программное обеспечение для широкодиапазонного исследования ФРТ методом компьютерной изофотометрии и расчета по ФРТ характеристик качества изображения, таких как ЧКХ и функция концентрации энергии.

5. Обработка полученных данных ведется в реальном времени, что радикально повышает оперативность измерений и делает метод эффективным для серийного производства.

6. ФРТ определяется с передачей тонкой дифракционной структуры изображения тест-объекта, производится визуализация трехмерного графика фотометрической структуры ФРТ, что повышает надежность и достоверность результатов.

Литература

1. Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. - М.: Машгиз, 1978. - 250 с.

2. Кирилловский В.К. Оптические измерения. Часть 4. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. -88 с.

3. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. - Л.: Машиностроение, 1984. - 230 с.

4. Зверев В.А., Кирилловский В.К., Сокольский М.Н. Исследование качества изображения оптических систем методом изофотометрической фоторегистрации // ОМП. -1976. - № 8. - С. 6-8.

5. Кирилловский В.К., Ле Зуй Туан. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для аппаратуры контроля качества изображения оптических систем // Изв. вузов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 7. - С. 12-16.

Кирилловский Владимир - Санкт-Петербургский государственный университет инфор-

Константинович мационных технологий, механики и оптики, доктор техниче-

ских наук, профессор, [email protected]

Ле Зуй Туан - Санкт-Петербургский государственный университет инфор-

мационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]