CC BY
54
УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МИКРООБЪЕКТИВА ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ «ТОЧЕЧНОЙ» ДИАФРАГМЫ А.М. Бурбаев, Г.В. Егоров, В.А. Тимофеев
В работе исследуются варианты оптических схем установок для оценки качества микрообъективов по изображению точечной диафрагмы. Приводятся результаты пробных экспериментальных исследований микрообъктивов, проведенных на макетах этих установок. Обсуждаются алгоритмы получения количественных оценок по полученным результатам.
Наиболее распространенным методом проверки качества изображения даваемого микрообъективом является оценка его по виду дифракционной картины, образующейся при построении изображения «точечной» диафрагмы, диаметр которой соизмерим с длиной волны используемого света.
До недавнего времени использовалась визуальная оценка получаемой дифракционной картины, которая позволяла давать только ее качественную оценку [1, 2]. Для формализации и автоматизации обработки получаемой дифракционной картины на ЭВМ необходимо получать эту информацию в цифровом виде. Решить эту проблему можно при помощи преобразователей изображения в цифровой сигнал в виде приемников, называемых ПЗС-матрицами.
Рис. 1. Варианты схем получения цифрового изображения «точечной» диафрагмы: 1 - «точечная диафрагма»; 2 - исследуемый микрообъектив; 3 - окуляр микроскопа; 4 - оператор; 5 - ПЗС-матрица; 6 - дисплей компьютера; 7 - дополнительный микрообъектив; 8 - проекционный объектив, работающий с бесконечно удаленным предметом; Рок - передний фокус окуляра
На рис. 1 приведено пять вариантов оптических схем установок для оценки качества микрообъективов по изображению точечной диафрагмы - одна визуальная и четыре цифровых. Во всех вариантах схем предполагается, что в качестве осветительной части установки используется осветительная часть существующих биологических микроскопов, выпускаемых, например, фирмой ЛОМО.
Схема 1 состоит из «точечной диафрагмы» 1, исследуемого объектива 2 , окуляра микроскопа 3 и оператора 4. Она позволяет получить качественную оценку дифракции на точке или ограниченную количественную оценку, если окуляр оснащен измерительной шкалой.
В схеме 2 с плоскостью изображения, строимой микрообъективом 2, совмещена ПЗС-матрица 5, которая подключена к дисплею компьютера 6. На экране дисплея наблюдается дополнительно увеличенное примерно в 50 раз цифровое изображение «точечной» диафрагмы 1. Кроме того, по команде оператора вся цифровая информация об изображении диафрагмы может быть занесена в файл на диск компьютера. При этом длина «тубуса» выдерживается номинальной, т.е. равной 147 мм (160-13=147). Недостатком этой схемы является неэффективное использование разрешающей способности ПЗС-матрицы 5.
Схемы 3, 4 и 5 решают вопрос повышения эффективности использования разрешающей способности матрицы 5. Такое повышение эффективности достигается за счет общего увеличения изображения «точки» на светочувствительной поверхности матрицы 5.
В схеме 3 в качестве дополнительного проекционного объектива используется окуляр микроскопа 3, перефокусированный с бесконечности на светочувствительную поверхность матрицы 5. Из-за большого фокусного расстояния окуляра существенно увеличивается осевой габарит системы, и требуется дополнительная проверка получаемого изображения.
В схеме 4 в качестве дополнительного проекционного объектива используется дополнительный микрообъектив 7 в расчетном режиме. Осевой габарит системы увеличивается на 180 мм (147+33=180). Качество получаемого изображения обеспечивается расчетом микрообъетива, и не требуется дополнительная проверка получаемого качества изображения. При необходимости без изменения габаритных размеров можно изменить увеличение системы заменой микрообъектива одного увеличения на другое. Недостатком этого варианта является большое увеличение осевого габарита схемы, приводящее к снижению жесткости установки.
В схеме 5 дополнительное увеличение достигается за счет установки в параллельном ходе лучей проекционного объектива 8, работающего с бесконечно удаленным предметом. Такая схема интересна тем, что позволяет создать насадку из проекционного объектива 8 и ПЗС-матрицы 5, которую можно устанавливать на микроскоп, не вторгаясь в его конструкцию.
В качестве «точечной» диафрагмы 1 использовались «звезды» на непрозрачных зеркалах, покрытых алюминием, серебром и хромом. Делались попытки изготовления отверстий диаметром 1-5 мкм в таких же покрытиях при помощи лазеров. В качестве малых диафрагменных отверстий отыскивались «звезды» в алюминиевой фольге или изготавливались в ней при помощи иглы механическим.
Пусть для примера оптические увеличения будут У1=10х; У2=10х. Цифровое увеличение рассчитывается по формуле Ус=Рт/Рё, где Рт - шаг пикселей матрицы, а Рё -шаг пикселей монитора (Ус=0.25/0.005=50х).
Общее линейное геометрическое увеличение цепи рассчитаем по формуле Уog= У1У2 Ус и получим Уog= 10 10 • 50=5000х.
I очечная циафрагма
XI
MM
Исследуемый микрс айъшшЕ
Y1=X2 мм
Дополнит.
микро-объектнв
Г
Цифр ивой увеличигель 1
Y2=X3 мм
VI V2 / Vc
/ ГГЗС-ыагрица
сй-цвпн-дт- tcBp- рнс
Рис. 2. Структурная схема цепи «геометрического» увеличения изображения «точечной» диафрагмы: X1 -диаметр «точечной» диафрагмы Y1 - линейный геометрический размер изображения «точечной» диафрагмы даваемого исследуемым микрообъективом; X2 - линейный геометрический размер «точечной» диафрагмы в плоскости предметов микрообъектива ;Y2 - линейный геометрический размер изображения «точечной» диафрагмы в плоскости изображений микрообъектива; X3 - линейный геометрический размер изображения «точечной» диафрагмы на ПЗС-матрице; Y3 - линейный геометрический размер «точечной» диафрагмы на экране монитора; V1 - линейное увеличение исследуемого микрообъектива; V2 - линейное увеличение микрообъектива; Vc - - линейное увеличение цифрового увеличителя
Так, при X1=0,005, геометрический размер изображения «точечного» отверстия на экране монитора Y3=25 мм.
Экспериментально общее линейное геометрическое увеличение цепи Vog может быть измерено при помощи объектмикрометра и линейки и рассчитано по формуле
Vog=Pod Pod ,
где Pod - шаг объектмикрометра, Pod - шаг изображения объект-микрометра на экране монитора.
Рис. 3. Макет установки для исследования качества микрообъективов по изображению «точки» ИТМО
На рис. 3 представлена фотография макета установки для оценки качества микрообъективов по изображению «точечной» диафрагмы, построенного по схеме 4. В качестве дополнительного проекционного объектива используется дополнительный микрообъектив 7 в расчетном режиме. Работу по разработке и макетированию схемы проводил студент ИТМО В. А. Тимофеев.
На рис. 4 представлена фотография макета установки для оценки качества микрообъективов по изображению «точечной» диафрагмы, построенного по схеме 3. В качестве дополнительного проекционного объектива используется окуляр микроскопа 3, перефокусированный с бесконечности на светочувствительную поверхность матрицы.
Работы проводил в рамках совместной программы студент из Ильменау Robert Seiler.
Рис. 4. Фотография макета установки
При помощи ПЗС-матриц увеличенные изображения «точечных» диафрагм преобразуются в цифровой сигнал, регистрируемый в памяти ЭВМ. В результате в нашем распоряжении имеется информация о трехмерной функции распределения освещенности в изображении «точечной» диафрагмы. Две цифры - это координаты точки изображения, а третья цифра - ее освещенность. Используя готовые (встроенные) функции МаШСАО, можно вывести на экран монитора матрицу оцифровки освещенности отдельных «точек» исследуемого изображения [3].
На рис. 5 показано изображение «точки», записанное в матрице размером 80x80 пикселей, т.е. состоящее всего 6400 пикселей, и показан фрагмент этой матрицы размером 10x16 элементов. В этой прямоугольной таблице 16 строк и 10 столбцов. Так, ос-
вещенность точке 0(34,26)=90, а точке 0(49, 35)=243. Применяемая в макетах матрица различает 255 ступеней (градаций) освещенностей.
Изображение "точки"
'ЧоЬка -80-80-11 Лппр "
Ы&а =
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
о 25 25 26 27 27 29 28 28 27 28
1 24 27 27 27 28 28 29 29 29 30
2 26 26 27 26 27 27 29 28 28 28
3 25 27 27 28 27 26 28 29 28 28
4 24 27 27 26 27 27 28 29 28 29
5 26 26 27 26 28 27 28 29 29 30
6 26 25 26 27 26 27 28 29 29 31
7 26 26 26 27 27 26 29 28 30 31
8 25 26 26 27 27 27 28 28 30 30
3 26 25 26 25 27 28 28 29 29 33
10 25 25 26 26 26 28 28 28 30 32
11 25 25 26 26 27 27 28 30 32 33
12 25 25 25 26 26 28 29 31 32 34
13 25 25 25 25 27 30 29 33 34 35
14 24 24 25 26 27 29 30 32 33 35
1 5 23 25 25 27 27 30 30 33 35 38
Рис. 5. Изображение «точки»
На рис. 6 показан трехмерный график зависимости освещенности от ее координат в изображении точки, представленной на рис. 5. Общее число цифровых значений необходимых для построения этого графика равно 80x80x2=12800. Плоский срез наверху фигуры говорит о том, что диапазон ступеней освещенности изображения превышает рабочий диапазон ПЗС-матрицы. Для устранения этого среза необходимо уменьшить освещенность «точечной» диафрагмы. Несимметричное вздутие графика говорит о наличии аберрации кома.
Рис. 6 трехмерный график зависимости освещенности от ее координат
На рис. 7 показаны продольные сечения изображения «точечной» диафрагмы в 50 и 60 столбцах.
300 200
stolb 5 0i - 100
0
300 200
stolb 6 0i - 100
° 0 20 40 60 l
Рис. 7. Продольные сечения изображения «точечной» диафрагмы
На рис. 8 показаны поперечные сечения изображения «точечной» диафрагмы c шагом по освещенности в 50 единиц. В процессе микрофотометрирования изображения «точечной» диафрагмы проводится калибровка цены одной единицы освещенности.
Рис. 8. Поперечные сечения изображения «точечной» диафрагмы
Таким образом, в работе исследуются варианты оптических схем установок для оценки качества микрообъективов по изображению точечной диафрагмы. Приводятся результаты пробных экспериментальных исследований микрообъктивов на макетах этих установок, изготовленных в ИТМО и Ильменау (Германия). Схема 4 с дополнительным микрообъективом позволяет легко менять общее увеличение и дает практически не влияет на изображение «точечной» диафрагмы. Для быстрого перехода с визуального наблюдения на видеокамеру удобна схема 5. Кроме того, показываются воз-
можности обработки информации при помощи вычислительной системы МаШСАО на экспериментально полученных цифровых данных.
Литература
1. Сухопаров С.А. Сборка и юстировка морских оптических дальномеров. - М.: Обо-ронгиз, 1961. - 180 с. С. 79-83.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с. С. 229-240.
3. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. - М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1997. - 712 с.
