Качество изображений оптической системы

До недавнего времени в области прикладной оптики наиболее широко были приняты оценки оптической системы, основанные на геометрической оптике, т. е. на измерении геометрических аберраций системы, например, известным методом Гартмана. Исследование оптической системы теневым методом Фуко также позволяет измерять геометрические аберрации, например — путем измерения фокусных расстояний для различных зон зрачка, что соответствует измерению сферической аберрации. Хроматизм оценивают, производя эти измерения в ряде длин волн.

Оценки оптической системы, основанное на измерениях геометрических аберраций, оправдывают себя на практике в тех случаях, когда аберрации столь велики, что при определении качества изображения дифракция играет незначительную роль. Однако прогресс оптической технологии и проектирования, применение ЭВМ (компьютера) при расчете оптических систем позволяют сегодня получать оптические системы все более высокого качества. Одновременно развиваются и средства контроля оптических параметров. Все более широко применяются методы, позволяющие получить полную топограмму формы волнового фронта. ЭВМ дают возможность путем расчета предсказать большинство параметров системы, а также (путем интегрирования) составить представление о структуре изображения [3]. Но в условиях производства нормой являются некоторые отклонения параметров системы и качества построенного ею изображения в рамках заданных допусков. Контроль соответствия действительных параметров системы расчетным и является задачей, требующей для своего выполнения развитых средств контроля.

Еще более важной задачей является измерение действительной структуры изображения, построенного системой, и сопоставление полученного результата с предельно достижимым, предсказанным на основании расчета. Например, разрешающая сила не всегда является безусловно правильным критерием качества изображения, построенного оптической системой. Исследованиями показано, что во многих случаях наилучшее с точки зрения практики изображение получается не в плоскости максимальной разрешающей силы, на которую ориентируется расчетчик, а в другой плоскости, которую можно назвать плоскостью максимального контраста. В ней формируется изображение с наиболее крутыми градиентами освещенностей.

Естественно, не все ошибки системы можно устранить на стадии расчета, так как проектирование высококачественной и сложной оптической системы требует, несмотря на использование ЭВМ, большого объема кропотливых и трудоемких работ. Подчас на практике затруднительно продолжать эту работу за пределами того этапа, на котором получается удовлетворительное качество. До недавнего времени не было экспериментальных средств, при помощи которых можно было бы точно определить распределение энергии в пятне рассеяния [4]. А это значит, что невозможно было установить, какое распределение освещенности в пятне рассеяния соответствует оптимальному качеству изображения того объекта, для регистрации которого предназначена данная система.

Итак, эту оценку можно, в принципе, произвести по расчетным данным оптической системы до того, как изготовлен ее опытный образец. Исходные данные содержатся в оптическом выпуске объектива, содержащем радиусы кривизны, толщины, воздушные промежутки, показатели преломления и т. д. Расчетные методы позволяют просчитать путь лучей, проходящих объектив. Далее возможны три способа оценки:

• 1) чисто геометрическая интерпретация, основанная на распределении следов лучей вокруг точки изображения для параксиальных лучей;
• 2) расчет можно выполнить так, что получатся очертания волнового фронта, определяющие в длинах волн расстояние между полученным фронтом волны в пространстве изображений и необходимым, который обычно бывает плоским или сферическим;
• 3) можно рассчитать распределение освещенности в изображении светящейся точки. Расчетное определение распределения освещенности в изображении светящейся точки обычно основывается на численном интегрировании, выполняемом на ЭВМ.

По распределению освещенности в дифракционном изображении точки можно судить о разрешающей силе. В то же время, по указанным выше причинам, всегда сохраняется необходимость экспериментальных оценок качества изображения исследуемой системы, которые могут быть выполнены, например, следующими способами:

• 1) метод Гартмана и его модификации, а также теневой метод Фуко являются экспериментальными реализациями геометрической интерпретации;
• 2) интерферометр позволяет экспериментально получить информацию о топограмме волнового фронта системы и сравнить ее с расчетными результатами;
• 3) изображение светящейся точки, сформированное исследуемой системой, анализируется по распределению освещенности в нем, после чего полученный результат сопоставляется с расчетными данными [4].

Так исследуемая оптическая система анализируется на соответствие расчету. Однако, помимо этого, найденные таким образом характеристики изображающей оптической системы необходимо сопоставить с желаемыми, которые, в свою очередь, определяются назначением оптической системы. Как известно, различные оптические приборы рассчитаны на использование разных приемников изображения. Приборы могут быть визуальными, фотографическими, проекционными, телевизионными и т. д.

Требования к структуре изображения, в зависимости от области применения, также значительно варьируются. Например, в аэрофотографии необходимо передать малоконтрастный объект с максимальным контрастом мелких деталей. В то же время телевидение, наоборот, требует искусственного ограничения высоких частот, так как их передача не только бесполезна, но и вредна вследствие ограничений, налагаемых растровым способом построения телевизионного изображения. В частности, передача высоких частот в телевизионной оптике может приводить к возникновению муаровых эффектов.

Первичной характеристикой качества оптического изображения является функция распределения освещенности в изображении светящейся точки. Тест-объектом при таком испытании системы служит освещенная круглая диафрагма малого диаметра или ее уменьшенное изображение. Диаметр точечного источника, используемого при количественных исследованиях высокоточных систем, должен быть, обычно, на порядок меньше диаметра дифракционного кружка, который способна построить исследуемая система в обратном ходе лучей.

Полученные экспериментальные данные о распределении освещенности в изображении точки для данной системы необходимо проанализировать, сопоставив их с характеристиками дифракционного пятна для идеальной системы данной апертуры. При испытании оптической системы, имеющей значительные остаточные аберрации и изображающей точку в виде пятна рассеяния без отчетливой дифракционной структуры, часто пользуются способом измерения видимого диаметра пятна рассеяния с помощью окуляр-микрометра микроскопа, через который наблюдают увеличенное изображение точки. Далее измеренный диаметр реального кружка сопоставляют с диаметром кружка, заключенного внутри первого темного кольца идеального дифракционного кружка изображения точки. Такой способ оценки нередко используется при технологических испытаниях объективов телескопов, в частности — для оценки качества изображения астрономического зеркала на промежуточных этапах его обработки. Следует отметить, что диаметр кружка рассеяния, измеренный таким образом, зависит не только от формы распределения освещенности, но и от светового потока в схеме контроля. Поэтому полученные результаты, несмотря на их численную форму, пригодны лишь для сравнительной качественной оценки в сопоставимых условиях, чаще всего для наблюдения изменений структуры изображения в ходе обработки данной поверхности.

Другой способ оценки качества изображения состоит в наблюдении формы дифракционного пятна и применяется при исследовании оптических систем, дающих изображение точки в виде пятна, имеющего различимую дифракционную структуру и более или менее близкого к идеальному дифракционному изображению. К таким системам можно отнести объективы микроскопов и высококачественные астрологические системы [4].

Оценивая форму центрального максимума и дифракционных колец, судят о характере аберраций системы. Дифракционный кружок системы, удовлетворяющей критерию Релея, т. е. имеющей отклонение волнового фронта от сферической формы не более чем на л/4, содержит центральный максимум и одно различимое дифракционное кольцо правильной круглой формы, без искривлений и разрывов.

Экспериментальное исследование и измерение характеристик качества изображения имеет большое значение для выпуска оптических систем высшего качества и новых классов точности, а также для развития современных высоких технологий. К оптическим системам новых классов относятся, например, оптические системы космических телескопов, современных исследовательских микроскопов, объективы для технологий микроэлектроники и для оптической записи и воспроизведения информации.

Рассмотрев очень обобщенно весь комплекс известных на сегодняшний день многообразных методов исследования и контроля оптических систем, можно убедиться в том, что эти методы сводятся, в основном, к регистрации структуры волнового фронта, сформированного системой в схеме контроля, и исследованию этой структуры. Структура визуализируется в форме изображения того или иного вида, например, в виде интерференционных полос, теневой картины, совокупности пятен, составляющих диаграмму Гартмана и т. д.

Оптические системы исследуются, главным образом, в двух зонах:

• 1) в плоскости зрачка системы, где объектом исследования являются отклонения волнового фронта от формы, соответствующей требуемому качеству изображения;
• 2) в плоскости изображения, где объектом исследования служит двумерное распределение освещенности в плоскости изображения, характеризующее концентрацию энергии оптической системой и ее свойство полной передачи информации о структуре объекта, поступающей на ее вход в виде оптического сигнала. Структура волнового фронта, характеризующая качество исследуемой системы, может быть представлена функцией пространственных координат на зрачке и на предмете, зависящей (при наличии хроматизма) от длины волны излучения. Волновой фронт может также испытывать изменение во времени, например, под влиянием неоднородностей атмосферы. Многомерность характерна и для функции, описывающей структуру изображения. Для регистрации такого многомерного сообщения на носителе, имеющем меньшее число измерений, например, на двумерном графике, приходится дискретизировать аргументы сообщения. При этом само сообщение преобразуется в более простое, с меньшим числом измерений. Так, при исследовании качества изображения реальной оптической системы по изображению светящейся точки видно, что это оптическое изображение окружено цветной каймой из-за влияния хроматизма и дифракции и непрерывно меняет свою форму под действием атмосферных флюктуаций. Такое сложное, многомерное сообщение должно быть дискретизировано на приемнике изображения. Многоцветная картина преобразуется в монохромную — получается ряд изображений, зарегистрированных в различных длинах волн. Плавное изменение освещенности по плоскости изображения преобразуется в ряд изолиний, каждая из которых соответствует определенному уровню освещенности, а вместе они образуют топограмму уровней освещенности. Наконец, изменение формы изображения во времени фиксируется на ряде последовательных снимков (аналог киносъемки или телевизионной регистрации) [4].

Комплекс средств формирования, регистрации, преобразования и анализа оптической измерительной информации, включающий в себя исследуемую оптическую систему, оптическую измерительную установку, формирующую требуемое изображение, и регистрирующую часть, целесообразно рассматривать в совокупности как оптико-измерительную регистрирующую систему. В такой системе значение процессов регистрации постоянно растет, причем функции приемника изображения отнюдь не ограничиваются ролью запоминающего устройства. Напротив, в современных условиях приемник изображения все в большей степени берет на себя функции трансформации, анализа и первичной обработки информации и подготовки ее к вводу в компьютер.

Основными направлениями развития средств контроля и аттестации оптических систем и элементов являются:

• 1. Замена качественных методов количественными (объективными) методами измерений.
• 2. Все более широкое внедрение средств автоматизации операций контроля.
• 3. Повышение точности измерений.
• 4. Механизация и автоматизация представления результатов измерений в форме, необходимой для автоматической обработки (например, в цифровой).
• 5. Автоматизация окончательной обработки данных и получение результатов контроля и аттестации с помощью компьютера.
• 6. Получение измерительной информации об оптических характеристиках в необходимом количестве и в сроки, достаточные для реализации автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) изготовления оптических деталей и систем.

Эти задачи успешно решаются благодаря все более широкому применению средств, рожденных современными научно-техническими достижениями: лазеров, научной и прикладной фотографии, телевизионной техники, устройствам связи с ЭВМ, средств компьютерных технологий.

Таким образом, речь идет о постепенной замене существующих отдельных контрольных операций, часто дающих субъективные и недостаточно полные данные, на сквозной канал контроля при помощи специализированной оптико-измерительной системы, автоматизированной на большинстве стадий получения и переработки данных [4].