Измерение концентрации энергии в малоразмерном изображении.

Измерительные телевизионные системы

Дата публикации : 08.06.2009 | Просмотров : 989 | Для печати
Автор(ы) : Нужин А.В.

Нужин А.В. , ФГУП "НПК "ГОИ им. С.И.Вавилова", начальник лаборатории, к.т.н.

Рассмотрен метод измерения концентрации энергии в изображении с помощью матричного ПЗС. При малой трудоемкости измерений метод, может быть, полезен при оценке качества изготовления объективов по концентрации энергии в точечном изображении, а также при измерении диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения.

Задача по определению концентрации энергии в световом пятне относительно малого размера достаточно часто встречается при оценке качества различных объективов [1,2], а также при оценке пространственно-энергетических параметров лазерного излучения [3].

Методы измерений, рекомендуемые действующими стандартами [1,3], связаны с использованием сменных диафрагм различного диаметра. Через каждую диафрагму, в зависимости от диаметра, проходит определенная часть оптического излучения, участвующего в формировании анализируемого изображения. Прошедшее через диафрагму световое излучение, регистрируется на одноэлементном фотоприемнике. Зависимость мощности или энергии светового излучения от диаметра диафрагмы дает ряд значений функции концентрации энергии. По значениям этой функции можно судить о качестве изготовления объектива, а в случае измерения параметров лазерного излучения по значениям функции используют для расчета диаметра лазерного пучка и энергетической расходимости лазерного излучения.

Основные трудности практической реализации методов связаны с определением координат энергетического центра изображения и установкой диафрагм так, чтобы центр отверстия каждой сменной диафрагмы совпадал с энергетическим центром изображения. Результирующая погрешность измерений во многом зависит от точности установки диафрагм.

В данной работе для первичных измерений и построения функции концентрации энергии в составе измерительной установки используется матричный ПЗС. Сама установка и методика измерений не требуют выполнения трудоемких юстировочных операций.

Предложенная схема коллиматорной установки для оценки качества объективов приведена на рис.1.

Рис. 1 Коллиматорная установка для контроля качества объективов:
1 - коллиматор, 2 - испытуемый объектив, 3 - микрообъектив, 4 - матричный ФПЗС.

В передней фокальной плоскости объектива коллиматора помещается точечный источник света. Точечный источник составлен из круглой диафрагмы малого диаметра, которая через конденсор освещается лампой накаливания. В зависимости от выбранной для измерений спектральной области между источником света и диафрагмой может быть установлен светофильтр. Испытуемый объектив строит изображение точечного источника в своей задней фокальной плоскости. Размер изображения характеризует качество объектива. Требования к качеству объектива указывают как диаметр пятна, в котором должен находиться определенная доля от общей энергии во всем изображении.

Качество современных объективов таково, что размер построенного им изображения точечного источника сопоставим с размером элемента структуры ФПЗС. Для удобства анализа такого изображения в состав измерительной установки введен микрообъектив. Микрообъектив переносит изображение точки с определенным увеличением в плоскость анализа, куда устанавливается матричный ФПЗС.

Юстировка установки сводится к фокусировке изображения на матричном ФПЗС путем ее перемещения вдоль оптической оси и проверке увеличения микрообъектива с помощью тест-объекта.

Обработка измерительной информации, снимаемой с матричного ФПЗС, сводится к определению в изображении доли энергии, которая попадает в окружности разного диаметра. Первоначально информация с камеры записывается как bmp-файл произвольного размера, запись производится с камеры, в которой отключена g-коррекция.

Обработка измерительной информации содержит следующие основные этапы:

запись одного кадра изображения в виде bmp-файла;
выделение рабочего фрагмента с изображением точки;
определение среднего темнового уровня сигнала по неосвещенному участку матрицы;
пороговая обработка сигнала по среднему темновому уровню;
вычисление координат энергетического центра изображения;
вычисление энергии, попадающей в окружность заданного радиуса, как доли от общей энергии изображения точки.

Пороговая обработка сигнала сводится к обнулению величин сигналов в элементах с уровнем сигнала менее среднего темнового значения и вычитанию среднего темнового значения из уровней сигналов остальных элементов.

Вычисления координат энергетического центра изображения производятся по известным формулам

где U_i,j - уровень сигнала в элементе матрицы с номером (i,j).

Вычисление энергии, попадающей в окружность заданного радиуса, вычисляется как сумма сигналов со всех элементов, для координат которых выполняется условие:

где x_j и y_i координаты элементов с номерами j и i соответственно, R - заданный радиус окружности.

Программа для указанной обработки сигналов была реализована в среде Mathcad. Рисунки 2, 3, 4 иллюстрируют этапы выполнения программы. На Рис. 2 представлено распределение уровня сигнала вдоль одной строки матричного ФПЗС после вычисления центра положения центра изображения.

Рис. 2 Уровни сигналов вдоль одной строки матричного ПЗС.

На рис. 3 приведено изображение пятна рассеяния после предварительной пороговой обработки с учетом среднего темнового уровня сигнала.

Рис. 3 Вид точечного изображения после предварительной пороговой обработки

На рис. 4 представлено изображение пятна рассеяния после его ограничения окружностью заданного радиуса.

Рис. 4 Вид изображения, ограниченного окружностью заданного радиуса.

На рис. 5 представлена функция относительной концентрации энергии в изображении, ограниченном окружностью радиуса R. Изображение получено при измерениях на коллиматорной установке с фокусным расстоянием объектива коллиматора f=1600 мм для контролируемого объектива "Гелиос-44". Изображение точки, сформированное объективом "Гелиос-44", с помощью микрообъектива переносилось с увеличением 38 крат в плоскость матричного ФПЗС ICX-405AL (Sony) камеры VBI-531 производства ООО "ЭВС" [4], сопряженной через плату видеозахвата с персональным компьютером.

Результаты измерений приведены на рис.5. По представленному на рисунке графику легко определить энергию Eотн. попадающую в окружность заданного радиуса. Переход от радиуса, заданного в элементах структуры ФПЗС, к абсолютным значениям легко осуществить, зная увеличение микрообъектива и размер элемента ФПЗС.

Рис. 5 Зависимость величины относительной концентрации энергии оптического излучения E_отн
от величины радиуса окружности R.

Выводы

По сравнению с известными методами контроля концентрации энергии с помощью диафрагм, предложенный метод обладает меньшей трудоемкостью и исключает погрешности измерений связанные с неточностью установки диафрагм как вдоль, так и перпендикулярно оптической оси объектива, формирующего изображение точки.

Данный метод может быть рекомендован для использования в оптической промышленности для контроля оптических систем в процессе производства.

Литература

ОСТ 3-6816-94. Метод измерения функции концентрации энергии.
Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М., Машиностроение, 1987., 264 с.
ГОСТ 26086-84. Межгосударственный стандарт. Лазеры. Методы измерения диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения. Издательство стандартов, Москва.
Бескорпусные чёрно-белые камеры VВA/VBI-531. Техническое описание. ООО "ЭВС", http://www.evs.ru/d_sheet/VBA-VBI-531.pdf

Скачать статью (RAR -архив, 60 kb)

Автор(ы) : Нужин А.В.

Добавить комментарий / На главную / Новости / Все статьи раздела

Внимание ! Использование любых текстовых или графических материалов(а так-же их фрагментов) с сайта http://www.telephototech.ru возможно с разрешения администрации сайта с обязательным указанием ссылок на первоисточник и авторов статей и публикаций !

		Главная \| E-mail \| 29.09.2023

	Главная страница \| О журнале \| Авторам \| Редколлегия \| Контакты

	Научно-технический интернет-журнал Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-31314