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Einrichtung zur Prüfung der Abbildungsgüte optischer Systeme Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Abbildungsgüte von optischen
Systemen durch Messung der Kontrastübertragungsfunktion, also der Funktion, die
den Verlauf der Kontrastwiedergabe durch das zu prüfende optische System in Abhängigkeit
von der Ortsfrequenz det sinusförmigen Helligkeitsschwankungen angibt, aus denen
man sich jedes Bild aufgebaut denken kann (Fourier-Analyse).
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Bei einer bekannten Einrichtung zur Durchführung dieser Aufgabe wird
ein mit konstanter Dreh.. zahl rotierendes Radialgitter durch das zu prüfende optische
System hindurch abgebildet, das Gitterbild lichtelektrisch abgetastet, die Wechselstromkomponente
des Photostroms in einem Resonanzverstärker entsprechend verstärkt und nach erfolgter
Gleichrichtung einem anzeigenden oder schreibenden Meßinstrument zugeführt. Mit
einer derartigen Einrichtung kann zwar die Kontrastübertragung für verschiedene
Ortsfrequenzen zeitlich nacheinander gemessen, angezeigt oder registriert werden,
es ist aber nicht möglich, den Verlauf der gesamten Kontrastübertragungsfunktion
unmittelbar zu beobachten.
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Bei einer weiteren bekannten Einrichtung hat man sich die Aufgabe
gestellt, auf einem Leuchtschirm eines Oszillographen direkt den Verlauf der Kontrastübertragungsfunktion
anzuzeigen. Zu diesem Zweck wird auf einer Trommel, die mit konstanter Drehzahl
rotiert, eine gitterförmige Testfigur angeordnet, deren Gitterstriche parallel zur
Drehachse der Trommel verlaufen und deren Gitterkonstante stetig von einem Größter.
zu einem Kleinstwert oder stufenweise in Form von Gittergruppen abnimmt. Die Abtastung
erfolgt senkrecht zu den Gitterlinien. Zur Verstärkung des Photostroms ist in diesem
Fall ein Breitbandverstärker erforderlich. Da bei konstanter Drehzahl der Trommel
die Frequenz des Wechselstroms von der Gitterkonstanten und seine Amplitude außerdem
von der relativen Phasenlage der darin enthaltenen Oberschwingungen abhängt, werden
an den Verstärker sehr hohe Anforderungen bezüglich der amplituden- und phasengetreuen
Verstärkung gestellt. Sofern bei einer solchen Einrichtung auf den Verstärker eine
Gleichrichteranordnung folgt, sind auch an diese sehr hohe Anforderungen zu stellen,
wenn das Gerät unabhängig von der Frequenz und der Kurvenform eine Anzeige des Spitzenwertes
liefern soll. Bei Einrichtungen dieser Art bereitet schließlich das ungünstige Verhältnis
von Signal zu Rauschen wegen der Breitbandverstärkung große Schwierigkeiten, wenn
der lichtelektrischen Empfängereinrichtung nur geringe Lichtströme zugeführt werden
können.
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Um die Schwierigkeit bezüglich der elektrischen Breitbandverstärkung
und Spitzengleirichtung zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, die Gittergruppen
auf der Trommel so anzuordnen, daß die Abtastung parallel zu den Gitterstrichen
erfolgt, und zwar so, daß die Abtastspur in der Mitte zwischen zwei Gitterstrichen
verläuft. Dadurch wird für jede Gittergruppe ein konstanter Photostrom erhalten.
Die auf diese Weise erzielte Vereinfachung wird aber durch hohe Anforderungen an
die Justierempfindlichkeit der Einrichtung erkauft, da jede, auch die kleinste Abweichung
der Abtastspur von der Symmetrielinie zwischen zwei Gitterstrichen zu einer Verfälschung
der Kontrastanzeige führt. Insbesondere ist bei Auftreten von Komaeffekten in den
Bildern der zu prüfenden optischen Systeme eine einwandfreie Justie rung für alle
Ortsfrequenzen gleichzeitig nicht mehr möglich.
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Durch die Maßnahmen der vorliegenden Erfindung werden die obengenannten
Schwierigkeiten aus dem Wege geräumt. Die Erfindung betritt eine Einrichtung zur
Messung der Abbildungsgüte von optischen Systemen durch Messung der Kontrastübertragungsfunktion
mit Hilfe eines Gittertestes mit kontinuierlicher oder stufenweiser änderung der
Gitterkonstanten (Ortsfrequenz). Der Gittertest ist auf einer mit konstanter Drehzahl
rotierenden Trommel angebracht und wird entweder von dem zu prüfenden optischen
System auf einem Abtastspalt abgebildet oder dient umgekehrt als Abtastorgan für
das Bild eines vom Prüfling abgebildeten Spaltes. Die Einrichtung enthält weiterhin
einen lichtelektrischen Empfänger, der das optische Signal in ein elektrisches Signal
verwan-
delt, welches in einem entsprechenden Anzeigegerät die Kontrastübertragungsfunktion
abzulesen gestattet.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Gitterstriche des Testes schräg
zur Abtastrichtung gelegt werden, wobei die Richtung der Gitterstriche so gewählt
ist, daß auf der vorbestimmten Abtastspur unabhängig von der Ortsfrequenz des Gittertestes
stets nach gleichen Abständen eine Gitterperiode abgetastet wird, so daß die zeitliche
Grundfrequenz des auf den Empfänger auftreffenden Signals konstant ist. Durch diese
Maßnahme wird erreicht, daß gegenüber dem bekannten Verfahren mit Abtastung senkrecht
zu den Gitterstrichen, insbesondere bei Spitzengleichrichtung des Signals, geringere
Anforderungen an den elektrischen Teil der Anordnung gestellt werden können, und
daß sich das Verhälnis von Signal zu Rauschen wesentlich verbessern läßt. Gegenüber
dem Verfahren mit Abtastung parallel zu den Gitterstrichen sind die Anforderungen
an die Justierung wesentlich verringert, da eine Verlagerung der Abtastspur die
angezeigten Amplituden nicht beeinflußt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung
wird in dem elektrischen Teil der Anordnung ein Filter eingeschaltet, durch das
die im Signal enthaltenen Oberwellen eliminiert werden, so daß nur die den Sinusgitterkontrast
repräsentierende Grundwelle zur Anzeige gelangt. Die Einrichtung erlaubt damit eine
Bestimmung derKontrastübertragungsfunktion für ein Sinusgitter, ohne daß es notwendig
ist, an Stelle des relativ leicht herstellbaren Strichgittertestes ein Test zu verwenden,
das unmittelbar eine sinusförmige Helligkeitsverteilung liefert.
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Zwecks Messung der Phasenfunktion der Kontrastübertragungsfunktion
ist es von Vorteil, zusätzlich ein Vergleichssignal zu erzeugen, welches die gleiche
Frequenz wie das Meßsignal bei Abtastung des Gittertestes auf der vorbestimmten
Abtastspur besitzt, wodurch nach Vergleich der Phasenlage von Meßsignal und Vergleichssignal
in an sich bekannter Weise eine Anzeige der Phasenfunktion gewonnen wird. Benutzt
man einen Oszillographen als Anzeigegerät, so empfiehlt es sich, einen Zweistrahloszillographen
zu verwenden und von dem einen Strahl die Kontrastübertragungsfunktion und dem anderen
die Phasenfunktion aufzeichnen zu lassen. Das benötigte Vergleichssignal konstanter
Frequenz kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, z. B. mit mechanischen,
elektrischen, magnetischen oder optischen Mitteln.
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Nähere Erläuterungen seien an Hand der Zeichnungen gegeben. Von diesen
zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des optischen Teils der Prüfeinrichtung zur
Messung der Ubertragungsfunktion optischer Systeme, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel
für ein Gittertest, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Test zur Erzeugung des
Vergleichssignals, Fig. 4 eine beispielsweise Aufzeichnung der Kontrastübertragungsfunktion
für ein optisches System und Fig. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen von Gittertesten.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein zu prüfendes optisches System dargestellt,
das von einem auf dem Umfang einer Testtrommel 2 befindlichen Gittertest ein Bild
auf dem Abtastspalt 3 in der Bildebene4 des Prüflings entwirft. Ein Kollimator 5
dient dazu, dem
Prüfling das Test im Unendlichen liegend darzubieten. Zur Beleuchtung
des Testes wird eine Lichtquelle 6 mit vorgeschaltetem Kondensator7 verwendet. Mit
Hilfe eines optischen Systems8 wird das durch den Abtastspalt hindurchtretende Licht
auf einem lichtelektrischen Empfänger 9 gesammelt. Dem lichtelektrischen Empfänger
ist eine nicht gezeichnete Verstärkereinrichtung nachgeschaltet, deren Ausgangssignal
einer ebenfalls nicht dargestellten Anzeige-oder Registriervorrichtung zugeführt
wird. Der Empfänger 9 und die Lichtquelle 6 können auch miteinander vertauscht werden,
ohne an der prinzipiellen Wirkungsweise der Einrichtung etwas zu ändern. Mit 10
ist eine bilddrehende optische Einrichtung angedeutet, mit deren Hilfe ohne Verschwenkung
der Drehachse der Testtrommel Messungen der Kontrastübertragung für die tangentiale
und radiale Orientierung des Strichgitters durchgeführt werden können.
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Fig. 2 zeigt die Abwicklung des Anfangsteils eines Gittertestes mit
kontinuierlicher Änderung der Ortsfrequenz längs der Abtastspur 11, das auf dem
Umfang der Testtrommel 2 angebracht ist. Zusätzlich ist ein Test 12 angeordnet,
das eine sehr niedrige Ortsfrequenz repräsentiert und zur Normierung der Kontrastfunktion
dient. Sämtliche schraffierten Teile sind lichtundurchlässig oder besitzen eine
endliche, aber konstante Durchlässigkeit, während die hellen Teile im wesentlichen
vollständig durchlässig sind oder eine konstante, aber hohe Durchlässigkeit aufweisen.
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Wird dieses Gittertest längs der Abtastspur 11 mit konstanter Geschwindigkeit
lichtelektrisch abgetastet, so ist die Grundfrequenz des erhaltenen lichtelektrischen
Signals konstant. Eine geringe Abweichung von der Abtastspur 11 bewirkt lediglich
eine Phasenverschiebung des Signals, aber keine Verfälschung der Maximalwerte, die
ein Maß für die Kontrastübertragung selbst darstellen.
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In Fig. 4 ist mit 13 das Signal für den Sinusgitterkontrast dargestellt,
das man bei Verwendung eines elektrischen Filters im Verstärker zwecks Aussiebung
der im lichtelektrischen Signal enthaltenen Oberwellen erhält. Die Einhüllende 14
repräsentiert die Sinusgitterkontrastfunktion und kann direkt erhalten werden durch
Gleichrichtung des Signals 13. Zweckmäßig wird man das Signal 13 oder das Signal
14 auf einem Oszillographenschirm sichtbar machen. Unter Zuhilfenahme endes auf
dem Leuchtschirm der Oszillographenröhre angebrachten Vergleichsmaßstabes, der durch
die senkrechten Linien 16 angedeutet ist, kann man die Phasenabweichungen unmittelbar
ablesen, wenn die Zeitablenkung des Oszillographen auf die Maßstäbsintervalle abgestimmt
ist. Die Strecken 15 repräsentieren dann die Phasenabweichungen an den betreffenden
Stellen im Ortsfrequenzspektrum.
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Ein anderer Weg besteht darin, die Phasenfunktion durch Vergleich
mit einem Signal, welches mit einem Test nach Fig. 3 erzeugt wird, zur Anzeige zu
bringen. Diese Phasenfunktion wird durch die Liniel7 in Fig4 repräsentiert.
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Entsprechendes wie für die Sinusgitterübertragungsfunktion erhält
man für die Rechteckgitterübertragungsfunktion, wenn man ohne Verwendung eines Filters
mit einem Breitbandverstärker arbeitet, der neben der Grundwelle eine hinreichend
große Zahl von Oberwellen amplituden- und phasengetreu überträgt.