NL8902975A - Werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van optische stelsels. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het onderzoeken van optische stelsels.

De uitvinding betreft werkwijzen voor het onderzoeken van optische stelsels, waarbij een tweedimensionaal testpatroon wordt belicht en via een, het te onderzoeken optische stelsel bevattende stralengang op een fotogevoelige detector van een beeldopneeminrichting wordt afgebeeld en de door deze detector opgewekte signalen worden toegevoerd aan een beeldverwerkingsinrichting voor verdere verwerking, met het kenmerk, dat een tweedimensionaal beeld van het testpatroon door een oppervlaktede-tector zonder bewegende elementen wordt opgenomen en de uit dit beeld verkregen signalen als een datablok worden toegevoerd aan een beeld-verwerkingsinstallatie voor het verwerken met behulp van een voorafgekozen testprogramma, alsmede betreft de uitvinding inrichtingen voor het uitvoeren van de werkwijzen.

Het optische onderzoek van optische lichamen en stelsels geschiedt door verschillende methoden om vast te stellen in hoeverre de basisgrootheden van de optische afbeelding voldoen aan de vereiste specificaties, in het bijzonder ook wat betreft het gebruiksvermogen. Voor het uitvoeren van het onderzoek zijn daarbij verschillende inrichtingen bekend. Onder de benaming optische stelsels moeten zowel afzonderlijke elementen als ook samengestelde stelsels voor het beïnvloeden van een optische stralengang worden verstaan.

Uit SMPTE-Journal, van februari 1981, deel 90. blz. 103-106 is "A Television and Film Lens-Testing System" bekend met een Pinholë-Object-generator, een analyse-eenheid en een elektronische eenheid, die de meting van de modulaire transferfunctie MTF (Modular Transfer Function), van het brandpunt, het strooilicht, de parallax en de spectrale transmissie de relatieve veldbelichting en de transversale chromatische aberratie toelaat.

Bij dit teststelsel moet met behulp van een mechanische onderbreker de lichtstroom met een bepaalde frequentie worden onderbroken, om aldus de invloeden van vreemdlicht te minimaliseren. Tot deze groep van teststelsels behoren ook het in Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. (USA), deel 399. blz. 403-410 beschreven "The computerized evaluation of a high performance aerial reconainance lens by a new automated lens testing system". Hierbij wordt het licht van een lichtbron na het doorlopen van een pinhole-target door twee spiegels op een te testen lens afgebeeld. In het brandpunt van de te testen lens bevindt zich een scanner met een snijkant en een puntdetector voor beeldopname.

De teststelsels behoren tot de groep van stelsels voor een beeld- kwaliteitonderzoek met mechanisch ondersteunde beeldaftastelementen. Hierbij fotometreren mechanisch bewogen spleten, snijkanten of roosters met daarna opgestelde meetpuntopnemende stralingsdetector een geprojecteerd testbeeld. Met behulp van elektronische respectievelijk optische fourieranalyse en een passende normeermethode (DIN 58 185, deel 3· in het bijzonder 3·2-3·7)» die echter alsnog een extra meetonzekerheid (ca. 2% volgens de genoemde DIN) opwekt, kan de MTF (ook als OTF of PTF aangeduid) worden bepaald. Beeldschalen en ontwerpmaat alsmede valslicht en vertekening worden in afzonderlijke meetinrichtingen bepaald. Deze teststelsels benodigen aanzienlijke, tegenwoordig niet meer acceptabele onderzoekkosten en tijd, bovendien zijn zij door de mechanische aftasten draaibewegingsinrichting behept met aanzienlijke meetonzekerheden.

Bovendien zijn shearing interferometers bekend voor MTF-meting. Deze stellen per instelling (shearhoek) slechts een meetwaarde van de ingestelde plaatsfrequentie vast en zijn derhalve ongeschikt voor poly-chromatische belichting, die voor beeldkwaliteitmeettoestellen nodig is.

Alle puntmetende inrichtingen vereisen voor een volledige opname een langere tijd, waarin door trillingen, die van buiten op de inrichting inwerken, een vervalsing van de meetresultaten kan optreden.

Bovendien zijn er teststelsels bekend, die draaibare dioderegels toepassen. Met deze meetwaardeopnemers kan men een foto-elektrische spleetaftasting in sagitale of tangentiale richting uitvoeren. Als voorbeeld kan hier het Amerikaans octrooischrift 43 29 049 worden genoemd. Door de noodzakelijke mechanische draaiing ontstaan extra trillingen, die in het bijzonder bij de meting van beeldschalen tot een hoge meetonzekerheid leiden.

Het doel van de uitvinding is een inrichting te verschaffen voor een aanpasbaar objectief beeldkwaliteitonderzoek, die de in de huidige visueel en mechanisch ondersteunde meetinrichting gelegen onzekerheden uitschakelt en objectieve, snelle meetresultaten levert.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door de maatregelen in het kenmerk van de eerste conclusie, en wel aldus, dat een tweedimensionaal beeld van het testpatroon door een oppervlaktendetector zonder bewegende elementen wordt opgenomen en de uit dit beeld verkregen signalen als een datablok worden toegevoerd aan een beeldverwerkings-installatie voor verwerking voor een voorafgekozen verwerkingsprogramma.

Het speciale voordeel van de inrichting volgens de uitvinding bestaat daarin, dat door de zeer kortstondige opname (1/25 sec.) alle voor het onderzoek benodigde meetwaarden wat betreft een meetonzekerheid door vibraties kan worden vermeden. Dit leidt tot nauwkeuriger, meer objectieve meetresultaten. Een verder aanzienlijk voordeel bestaat in het onderdrukken van invloeden van vreemd licht. Dit vreemde licht vormt nu alleen nog een additief, gemakkelijk af te trekken deel, dat voor alle meetwaarden even groot is.

De detector kan uit meerdere regeldetectoren bestaan, die in meerdere afzonderlijke stralengangen (opgewekt door bijvoorbeeld een straaldeler) onderling verplaatst zijn aangebracht. Van voordeel is het echter het tweedimensionale meetbeeld met een oppervlaktestelsel van meerdere diodedetectoren op te nemen.

De hoogste onderzoeknauwkeurigheid wordt in elk geval verkregen, als de oppervlaktedetector een film is en het ontwikkelde negatief met een beeldanalyseerstelsel wat betreft transmissiecontrast wordt geanalyseerd. Hierbij is het van voordeel als een driedimensionaal MTF wordt verkregen, om ook een decentrering of astigmatisme vast te stellen.

De invloed van vreemd licht kan worden geminimaliseerd, als in de belichtingsinrichting een flitslichtbron het bij de meting benodigde licht levert. Als er tussen twee meetwaardeopnamen een beeldopname bij uitgeschakelde flitslichtbron plaatsvindt, kan deze opname voor de elektronische eliminering van de invloed van het vreemde licht worden gebruikt.

Om een visuele controlemogelijkheid te verkrijgen is het van voordeel, als in de waarneemstralengang een straaldeler aanwezig is. Deze straaldeler buigt een deel van de stralingsintensiteit af naar een oculair, waardoor ter plaatse een waarneming door een waarnemer kan plaatsvinden. Op dit oculair kan echter ook via een adapter een camera worden bevestigd, om het door de optische proefstuk afgeheelde beeld van het testpatroon fotografisch vast te leggen.

De van de, een tweedimensionaal beeld opnemende diodedetector afkomstige videosignalen bereiken na hun digitalisering een geheugen van de beeldverwerkingsinstallatie. Als geheugen is hiervoor in het bijzonder een beeldgeheugen geschikt, dat snelle gehele beeldverwerkings-operaties mogelijk maakt.

Om een optisch onderzoek onder verschillende belichtingshoeken α mogelijk te maken is de belichtingsinrichting zwaaibaar bevestigd. Opdat de beeldopneeminrichting ook bij verschillende belichtingshoeken α het testbeeld scherp op de diodedetector kan afbeelden, is dit loodrecht op de optische as van de belichtingsinrichting bij de belichtingshoek α = 0 gericht en op een x-y-tafel aangebracht. Door deze maatregelen is het met de beeldopneeminrichting mogelijk het onder verschillende hoeken α van het optische te onderzoeken stelsel komende beeld van het testpatroon scherp op de oppervlaktedetector af te beelden. Tegelijkertijd kan door de parallelle stralengang voor het te onderzoeken optische stelsel de invloed van de belichtingsinrichting op de beeldscherpte worden geëlimineerd.

Voor verschillende optische te onderzoeken stelsels zijn er speciale testpatronen. Een wisselinrichting voor testpatronen maakt hier een snelle aanpassing mogelijk. Als men de verschillende testpatronen onder verschillende spectrale omstandigheden wil afbeelden, kan dit geschieden door het inzwaaien van verschillende kleurenfilters met een inzwaaiinrichting voor kleurenfilters.

Een automatisch transport van het te onderzoeken optische stelsel in de en uit de onderzoekpositie kan met voordeel door een bewegelijke transportslede geschieden, die loodrecht op de optische as van de beleg-gingsinrichting in de uitgangspositie kan bewegen.

De uitvinding wordt in het hiernavolgende als voorbeeld aan de hand van twee tekeningen nader toegelicht, waarbij verdere belangrijke kenmerken alsmede voor een beter begrip van de uitvinding dienende toelichtingen en uitvoeringsmogelijkheden van de uitvindingsgedachte worden beschreven.

Daarbij tonen figuur 1 een gedeeltelijk doorsnedeaanzicht van een objectief-beproevingss tand; figuur 2 een zijaanzicht van figuur 1 met beeldverwerkingsinstal- latie.

De schematische weergave van de objectief-beproevingsstand in figuur 1 en 2 bevat in hoofdzaak vier delen - een belichtingsinrichting (1) - een bevestigingsinrichting (2) - een beeldopneeminrichting (4) en - een beeldverwerkingsinstallatie (5).

De belichtingsinrichting (1) heeft een thermische lichtbron of een flitslichtbron (6). Het hierdoor uitgestraalde licht wordt door een belichtingsoptiek (7) op een voor het onderzoek geschikt, doorschijnend tweedimensionaal testpatroon (8) gericht. De van het testpatroon (8) uitgaande stralen worden met een aan het einde van de belichtingsinrichting (1) aanwezige uittreelens (9) (in een parallelle stralengang) naar oneindig afgebeeld. Om de belichtingsinrichting (1) aan te kunnen passen aan verschillende eisen wat betreft het toegepaste testpatroon (8) en de chromatische spectraal verdeling, zijn op de belichtingsin-richting (1) twee wisselinrichtingen aanwezig. De eerste wisselin-richting dient voor het inzwaaien van verschillende kleurenfilters (24a, b) in de belichtingsstralengang, de tweede voor het inzwaaien van verschillende testpatronen (8a, b). Beide wisselinrichtingen werken onafhankelijk van elkaar en zijn wat betreft de algemeen bekende stand van de techniek opgebouwd. De wisselinrichtingen voor de kleurenfilters (24a, b) en het testpatroon (8a, b) zijn samen met de flitslichtbron (6) met de beeldbewakingsinstallatie (5) verbonden. De beeldverwerkings-installatie (5) laat een interactieve werking van de bedienende persoon toe respectievelijk automatiseert de belichtingsinrichting na het plaatsen van een testpatroon voor het instellen van de verschillende belichtingsparameters. Daartoe behoren naast de keuze van de kleurenfilters (24) en de testpatronen (8) het inschakelen van de flitsbe-lichtingsbron (6) en het richten van de belichtingsinrichting (1) ten opzichte van het objectief (3) als te onderzoeken optisch stelsel. Voor het uitvoeren van dit richten is de belichtingsinrichting (1) zwaaibaar gelegerd, zodat de belichtingshoek α van de belichtingsstralengang op het objectief (3) tussen twee metingen op verzoek van de beeldver-werkingsinstallatie (5) kan worden veranderd. Het draaipunt (25) van de belichtingsinrichting (1) ligt daarbij zo dicht mogelijk bij het eerste hoofdvlak van de intreelens (26) van de te onderzoeken optische stelsels, die hier als objectief (3) zijn weergegeven. Omdat de belichtingsinrichting (1) het objectief (3) met een parallelle stralengang belicht, is de positie van het draaipunt (26) voor het uitvoeren van het onderzoek niet zeer kritisch. Dit behoeft slechts zodanig te worden geplaatst, dat een volledige belichting van het objectief (3) bij elke instelbare belichtingshoek α is gewaarborgd. In de figuur 1 is de stralengang voor een punt op het testpatroon (8) aangegeven.

Voor de belichtingsinrichting (1) is de transportband (15) voor het objectief (3) aangebracht. Elk te onderzoeken objectief (3) wordt door een bevestigingsinrichting (2) vastgehouden. De transportband (15) is in het gebied van de onderzoekinrichting exact loodrecht op de optische as (27) van de belichtingsinrichting (1) bij de belichtingshoek α = 0 gericht. De optische as van het objectief (3) komt in de be-proevingspositie exact overeen met de optische as (27) van de belichtingsinrichting (1) bij de belichtingshoek α = 0. De bevestigingsinrichting (2) bezit een draaiinrichting volgens de stand van de techniek, om het naderhand richten van het objectief (3) in de proefpositie mogelijk te maken. Het richten in de proefpositie heeft het voordeel, dat geen vervalsing van het onderzoekresultaat door het foutief richten van het objectief (3) kan plaatsvinden. Het richten wordt daarbij door de beeldverwerkingsinstallatie (5) gestuurd.

De uit het objectief (3) tredende stralenbundel wordt door een microscoopobjectief (10) van de beeldopneeminrichting (4) opgenomen. Het microscoopobjectief (10) beeldt dan de stralenbundel af op een CCD-oppervlaktestelsel (11). Voor het oppervlaktestelsel (11) bevindt zich een straaldeler (12) die een deel van de stralingsintensiteit naar een oculair (13) afbuigt. Dit oculair (13) maakt een visuele controle mogelijk van het testpatroon en dient in het bijzonder voor de visuele instelling. Bovendien is aan het oculair (13) een bevestigingsmogelijk-heid voor een camera (hier niet getekend) voor de documentatie van het testbeeld op een fotografische laag aanwezig. De beeldopneeminrichting (4) is op een x-y-tafel (14) bevestigd. Deze x-y-tafel (14) is exact gericht ten opzichte van de optische as (27) van de belichtingsin-richting (1). De bewegingsmogelijkheden van de x-y-tafel (14) zijn noodzakelijk om het testpatroon (8) bij elke positie van de be-lichtingsinrichting (1) scherp op het CCD-oppervlaktestelsel (11) af te beelden. Overeenkomstig de verschillende belichtingshoeken et volgt door de x-y-tafel (14) loodrecht op de optische as (27) van het objectief (3) een verplaatsing /\ y van de beeldopneeminrichting (4). De bewegingen van de x-y-tafel (14) worden door de beeldverwerkingsinstallatie (5) overeenkomstig de voor de beeldopname optimale voorwaarden uitgevoerd.

De door het CCD-oppervlaktestelsel (11) volgens een op bekende wijze verkregen automatische focussering opgewekte videosignalen bereiken via een omzetter (16) de D/A-omzetter (17) van de beeldverwerkingsinstallatie (5). De gedigitaliseerde signalen worden dan in een beeldge-heugen (8) tussentijds opgeborgen en bij het opvragen door het onderzoekprogramma in het werkgeheugen (19) voor de verwerking overgedragen. Het onderzoekprogramma regelt de instelling aan de onderzoekstand (flitslichtbron (6), kleurenfilter (24a, b), testpatroon (8a, b), be-lichtingshoek a, transportband (15), draaiinrichting van de be-vestigingsinrichting (2), x-y-tafel (4) en beeldopname door het CCD-oppervlaktestelsel (11), levert met behulp van een verwerkingsprogramma de fouten van het objectief (3) en zorgt voor een documentatie van de verkregen data, die via de aangesloten periferieapparatuur (drukker (21), videoprinter (22) en monitor (23)) worden geleverd.

Bovendien synchroniseert het onderzoekprogramma alle voor het sturen van de proefwerkwijze noodzakelijke instellingen, in het bijzonder ook de flitsbelichting met de beeldopname.

Bij de beeldopname volgt tegelijkertijd een correctie van de lineairiteitsfout van het CCD-oppervlaktestelsel (11). Voor de onderdrukking van witte ruis kunnen meerdere videobeelden in het beeldge-heugen (18) worden opgeteld. De verwerking van het beeld van het testpatroon in het beeldgeheugen (18) strekt zich in het bijzonder uit tot de chromatische aberraties, de beeldschaalposities en de MTF.

Bij objectieven met hoge kwaliteit wordt pas met de bepaling van de driedimensionale MTF een zekere kwaliteituitspraak verkregen, waarbij de verwerking van het contrast in meerdere richtingen (bijvoorbeeld met behulp van radiale roosters onder 0, + 30, + 60, + 90) moet plaatsvinden. Daarbij markeren de radiale maxima bijvoorbeeld de richting van de decentralisering en van het astigmatisme. Beslist noodzakelijk is de bepaling van de driedimensionale MTF bij alle objectieven van hoge kwaliteit, waarbij ten gevolge van glasinhomogeniteiten temperatuur-fouten niet meer rotatiesymmetrisch zijn.

De omkeerbaarheid van de stralengang wordt bij een gewijzigde beproevingsinrichting gebruikt, waarbij het testpatroon in het beeldvlak is gelegen en overeenkomstig wordt belicht. De oppervlaktedetector bevindt zich daarbij in het objectvlak.

De tweedimensionale beeldopname van het afgebeelde testpatroon kan zoals in het voorbeeld beschreven, door een CCD-oppervlaktestelsel plaatsvinden. Meer praktisch zou echter ook de toepassing zijn van twee afzonderlijke fotogevoelige regeldetectoren, die in twee afzonderlijke stralengangen achter een straaldeler in ten opzichte van elkaar gekruiste posities zijn aangebracht. De oppervlaktedetector kan echter ook door een lichtgevoelige film worden gerealiseerd, die in de positie van het CCD-oppervlaktestelsel de informatie van het onderzoek als blok registreert. Na de belichting van de film wordt deze ontwikkeld en het datablok op de film toegevoerd aan een beeldverwerkingsinstallatie voor de verwerking voor een vooraf gekozen verwerkingsprogramma. Het daarbij gemeten transmissiecontrast maakt een veel nauwkeuriger onderzoek van optische stelsels mogelijk, omdat de registratiedichtheid op een film tegenwoordig nog zeer veel hoger is dan bij alle andere bekende opper-vlaktedetectoren. Derhalve is de toepassing van een film, in het bijzonder bij het onderzoek van objectieve van hoge kwaliteit bijzonder van voordeel.

Claims (13)

1. Werkwijze voor het onderzoeken van optische stelsels, waarbij een tweedimensionaal testpatroon wordt belicht en via een, het te onderzoeken optische stelsel bevattende stralengang op een fotogevoelige detector van een beeldopneeminrichting wordt afgebeeld, en de door deze detector opgewekte signalen voor verwerking worden toegevoerd aan een beeldverwerkingsinstallatie, met het kenmerk, dat een tweedimensionaal beeld van het testpatroon door een oppervlaktedetector (11) zonder bewegende elementen wordt opgenomen en dat uit dit beeld verkregen signalen als een datablok worden toegevoerd aan een beeldverwerkingsinstallatie (5) voor verwerking voor een vooraf gekozen verwerkingsprogramma.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in het beeldvlak van het te onderzoeken stelsel (3) een lichtgevoelige film wordt gelegd, deze met een overeenkomstige sluiter voor de lamp (6) kortstondig wordt belicht en het ontwikkelde negatief met een beeld-analyseerstelsel wat betreft transmissiecontrast wordt geanalyseerd.

3. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de beeldverwerkingsinstallatie (5) bovendien alle noodzakelijke testparametersinstellingen bij een proefstand stuurt, die in het bijzonder door een belichtingsinrichting (6) en de inrichtingen van de proefstand (2, 15) evenals eventueel door een kleurfilter- (24b) en test-patroonwisselinrichting (8b) wordt geleverd.

4. Werkwijze volgens een van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat door contrastverwerking in meerdere richtingen een driedimensionale MTF wordt geleverd.

5. Inrichting voor het onderzoeken van optische stelsels overeenkomstig de werkwijze volgens een van de conclusies 1-4, bestaande uit een belichtingsinrichting, een bevestigingsinrichting, een beeldopneeminrichting en een beeldverwerkingsinstallatie, met het kenmerk, dat de fotogevoelige detector (11) tot een simultane tweedimensionale beeld-opname in staat is.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de fotogevoelige detector (11) als een oppervlaktestelsel van meerdere diode-detectoren is opgebouwd.

7. Inrichting volgens een van de conclusies 5 of 6, met het kenmerk, dat in de belichtingsinrichting (6) een flitslichtbron aanwezig is.

8. Inrichting volgens een van de conclusies 5"7. met het kenmerk. dat een straaldeel (12) of klapspiegel in de beeldopneeminrichting (4) een deel van de stralingsintensiteit naar een oculair (13) afbuigt.

9. Inrichting volgens een van de conclusies 5"8» met het kenmerk, dat in een beeldverwerkingsinstallatie (5) een beeldgeheugen (18) aanwezig is, dat op de beeldopneeminrichting (4) is aangesloten.

10. Inrichting volgens een van de conclusies 5-9 en voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de belichtingsinrichting (6) zwaaibaar, de beeldopneeminrichting (4) loodrecht op de optische as van de belichtingsinrichting (6) in de uitgangspositie is gericht en de beeldopneeminrichting (4) op een x-y-tafel (14) is aangebracht.

11. Inrichting volgens een van de conclusies 5-10, met het kenmerk, dat een testpatroonwisselinrichting (8b) op de belichtingsinrichting (6) is aangebracht.

12. Inrichting volgens een van de conclusies 5"H. met het kenmerk, dat een kleurfilterwisselinrichting (24b) op de belichtingsinrichting (6) is aangebracht.

13· Inrichting volgens een van de conclusies 5"12, met het kenmerk, dat de optische stelsels (3) tussen de belichtings- (6) en de beeldopneeminrichting (4) op een beweeglijke transportslede (2, 15) zijn bevestigd, zodat ook meetsignalen bij meerdere beeldhoogten kunnen worden verwerkt.