Введение к работе
Актуальность темы. Оптическое изображение является очень удобной, а в ряде случаев единственно возможной формой получения информации об исследуемых объектах. Сложность я важность задач, решаемых современной наукой и техникой, требуют высокой степени достоверности и полноты этой информации, что в свою очередь требует от оптических приборов выполнения точных метрологических функций. В связи с этим проблема выбора их характеристик и метода анализа их качества является одной из актуальных проблем современной теории оптических приборов» Несмотря на большие результаты, достигнутые в теории расчета оптических систем, выбор их характеристик, влияющих на качество изображения, производится в основном опытным путем. Это ведет к неоптимальным решениям и снижению эффективности их использования.
Решение проблемы выбора характеристик оптической системы непосредственно связано с изучением проблемы качества изображения. Основное направление работ в этой области касается, главным образом, изучения свойств, определения характеристик и оценки качества изображений. Вопросы определения характеристик оптической системы, обеспечивающих заданное качество изображения, разработаны недостаточно полно. Отсутствуют научно обоснованные критерии достаточности величин передаточных характеристик оптической системы для решения тех или иных задач. Практически отсутствуют работы, посвященные определению и исследованию влияния функции передачи фазы ($ПФ) на качество изображения. Не разработаны методики измерения этой характеристики и методы проверки точности ее измерения. В результате эта, одна из основных характеристик оптических систем, совершенно не учитывается при анализе их качества. Поэтому возникает необходимость в проведении специальных исследований по определению влияния на качество изображения характеристик оптической системы, создании методов их определения и разработке на этой основе
объективных методов анализа качества оптических систем.
Целью диссертации является создание методов анализа качества и исследования характеристик оптической системы, разработка критерия оценки ее качества и методов оптимизации ее характеристик,
Научная новизна работы. Предложено понятие интегральной функции размытия границы и получены формулы, связывающие ее с известными функциями размытия (ФР) и оптичес -кой передаточной функцией (ОПФ), Разработан основанный на еа анализе метод определения ОПФ, При равных условиях измерения метод обеспечивает бблыпую по сравнению с известными методами величину регистрируемого сигнала, что позволяет исследовать качество оптических систем при меньшей величине освещенности в плоскости изображения, чем другие методы.
Исследовано влияние ФПФ на изображение и получено соотношение, позволяющее определить ее вклад в смещение изображения и обеспечивающее более точное определение координат исследуемых объектов по их изображениям.
Проведен анализ соотношения ФПФ и волновых аберраций, на основе которого разработан метод проверки точности ее определения и предложен для этого калибровочный элемент. Получены зависимости функции передачи модуляции (ФПУ) и ФОФ от параметров калибровочного элемента, учитывающие рабочий диапазон пространственных частот и угол поля зрения,
Разработан метод анализа и критерий качества оптических систем, формирующих изображение, Критерий учитывает наряду с ФПМ и ФПФ оптической системы, что позволило выявить и определить зависимость величины смещения изображения от размера изображаемого предмета. Получены формулы, связывающие разработанный критерий с известными параметрами качества (контрастом, волновыми аберрагшями, числом Штреля и другими), что позволяет определять их допустимые значения по требованиям к качеству изображения и дает возможность использовать критерий как при проектировании, так и при кон-
троле оптических систем. Разработана методика использования критерия для оптимизации характеристик системы формирования изображения (предмет + оптическая система + приемник изображения), основанная на связи между разработанным критерием качества оптической системы и корреляционным критерием качества изображения.
Разработан метод определения разности фаз двух световых волн и метод определения оптической толщины тонких пленок, которые позволяют изготовить и проконтролировать параметры калибровочного элемента для ФПФ с необходимой для этого точностью, Методы основали на влиянии определяемых физических величин на ФИФ оптической системы.
Разработан метод определения волновых аберраций оптических систем, основанный на анализе изображения в процессе изменения вида освещения предмета. Метод позволяет избежать ошибки в определении аберрации, которая может возникнуть в результате неоднозначности определения плоскости наилучшего качества изображения, и обеспечивает точность их определения порядка Л /100.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть непосредственно использованы при разработке и контроле качества оптических систем, предназначенных для формирования изображения, а также при определении характеристик и параметров предметов по их изображениям.
Метод опенки качества может быть использован при выборе наиболее пригодных оптических систем или приемников изображения для решения конкретных практических задач.
Метод определения разности фаз может быть использован для определения показателя преломления веществ и их концентрации, измерения малых перемещений.
Метод определения оптической толщины пленок может быть использован для контроля этого параметра з процессе напыления пленки в вакуумных установках, а также для определения показателя преломления пленки.
Метод измерения волновых аберраций позволяет прово-
дить анализ спектральной зависимости величины и вида аберрации от длины волны излучения.
Публикации по работе. Основные результаты работы изложены в 13 публикациях в том числа в 3 статьях и защищены б авторскими свидетельствами.
Апробация работы и достоверность результатов. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1964), II Всесоюзной конференции "Шормирование оптического изображения и методы его обработки" (Кишинев, 1985), Всесоюзной конференции "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (Ленинград, 1990), Всесоюзном семинаре "Новые методы и аппаратура для измерения показателя преломления жидких, твердых и газообразных сред" (Москва, 1991). Результаты работы внедрены на БелОМО в виде установки для определения 0Ш, установки для быстрого контроля качества фотообъективов и установки для измерения показателя преломления. Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов и зависимостей с результатами их экспериментальных измерений и исследований, а также их совпадением с результатами стандартных измерений оптической разности фаз и волновых аберраций на интерферометре "Марк-3".
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод определения ОПФ, основанный на измерении и анализе интегральной функции размытия границы.
-
Методика измерения Шя, позволяющая определить влияние ФПФ на смещение изображения и метод контроля точности определения <ШФ, основанная на использовании разработанного калибровочного элемента.
-
Метод анализа качества оптических систем, основанный на разработанном критерии их качества и методика его использования для оптимизации характеристик системы форми-
рования изображения.
-
Методы определения оптической разности фаз и оптической толщины тонких пленок, основанные на влиянии определяемых физических величин на ШПФ оптической системы.
-
Метод определения волновых аберраций, основанный на анализе изображения в процессе изменения вида освещения предмета.
Личный вклад соискателя. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Научному руководителю доктору ф.-м. н. К.Г. Предко принадлежит общая постановка задачи исследования, участие в обсуждении результатов и совместная работа над статьями и изобретениями.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 120 наименований и трех приложений} содержит 123 страницы печатного текста и 36 рисунков на 30 листах.
