РОС - программа расчёта оптики телескопов

[Serge Chuprakov]

По-видимому, 9 % в зеркальных системах – это предел для ЦЭ.

Ваше мнение очень важно для разработчиков PANSTARR и АЗТ-33ВМ. Заметную на глаз прибавку экранирования 2% даже как то комментировать затруднительно

[ekvi]

     В программу РОС введена опция сортировки альтернативных оптических систем по параметру dIsqim, которая запускается при нажатии кнопки "Сортировать по dIsqim" на вкладке Test левого блокнота (см. иллюстрацию). РОС производит тестирование всего рабочего списка систем по выбранному снимку объекта, формирует массив параметров dIsqim, сортирует список систем по возрастанию этого параметра и строит его график.
     Параметр dIsqim рассчитывается как относительная среднеквадратическая разность яркостей пикселей на эталонном и тестовом изображениях, построенных тестируемым объективом по снимку реального объекта.
     Опыт применения указанного параметра показал, что он дает более адекватную оценку уровня качества изображения, даваемого объективом, чем все ранее известные критерии (OPD, ЧКХ и др.) 

     useROS:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[ekvi]

Опыт использования изображений для тестирования качества оптики показал достаточность для этих целей простых тест объектов, поэтому последняя версия (miniROS# ) "облегчена", и в ней тестирование производится по изображениям только звезд и мир:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[Gleb1964]

Время тестирования по снимкам реальных объектов в программе РОС сокращено на порядок. Стал доступным полный тест системы (см. иллюстрацию)

Найден объективный критерий для оценки качества коррекции ошибок оптической системы. Им оказалось среднеквадратическое отклонение яркости пикселей идеального и реального изображений:
dIsqim = sqrt ( sum ( sqr( Ir - Ii ) ) / n ),
где
Ir - яркость пикселя на изображении, сформированном через реальный объектив,
Ii - яркость пикселя на изображении, сформированном через тот же объектив при полном отсутствии аберраций и центрального экранирования,
n - число пикселей, формирующих  изображение тест-объекта.

miniROS:
http://yadi.sk/d/DbbNp8qSB6AFq

useROS:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

зачем же убирать центральное экранировние (ЦЭ) при сравнении систем? может лучше сравнивать идеальное и реальное изображение при том же самом экранировании, с учетом только вклада аберраций? можно потом, конечно, еще сделать шаг и сравнить два идеальных изображения с центральным экранированием и без, так будет понятнее, где именно и сколько теряется качества.
по поводу самого метода оценки качества замечу - здесь опять таки неявно присутствуют пространственные частоты изображения и функция передачи модуляции (ФПМ) или частотно-контрастная характеристика оптической системы. Т.е. вы исследуете результат свертки амплитут пространственных частот снимка и оптической системы. Качество тестового изображения влияет на результат оценки оптической системы. Например, если тестовое изображение будет просто иметь плавный градиент через поле без деталей (типа фотометрический клин) - то оценк будет прекрасной при любых мыслимых аберрациях. Постепенно добавляя в такое изображение контраст деталей, оценка качества будет постепенно ухудшаться в зависимости от аберраций системы и, главное - в зависимости от добавления контраста в детали тестого изображения, что не есть свойство исследуемой оптической системы.
При этом всем, тестовое изображение у вас разбито на пикселы, что добавляет нелинейную операцию пикселизации изображения - рекомендую тогда, чтобы пространственная частота пикселов тестового изображения хотя бы в два (а то и в три) раза превосходила разрешение оптики (диффракционное!).
Кроме того, мне не ясно, как разбивается на пикселы изображение тестовой картинки, и какие тут могут возникать биения растра или полосы муара. Ведь оптические системы обладают дисторсиями, а всякие внеосевые еще имеют разные увеличения по направлениям (мне больше приходиться иметь дело с такими внеосевыми системами). Чтобы победить частично явления муара, надо чтобы изображение тестовой картинки дискретизировалось еще с два-три раза высокой частотой, и то полосы будут заметны

[ekvi]

зачем же убирать центральное экранировние (ЦЭ) при сравнении систем? может лучше сравнивать идеальное и реальное изображение при том же самом экранировании, с учетом только вклада аберраций?

- именно так и делается.

можно потом, конечно, еще сделать шаг и сравнить два идеальных изображения с центральным экранированием и без

- да, такое исследование необходимо провести.

по поводу самого метода оценки качества замечу - здесь опять таки неявно присутствуют пространственные частоты изображения и функция передачи модуляции (ФПМ) или частотно-контрастная характеристика оптической системы.

- а конечный результат - критерий dIsqim для сопоставления качества альтернативных оптических систем.

если тестовое изображение будет просто иметь плавный градиент через поле без деталей (типа фотометрический клин) - то оценка будет прекрасной при любых мыслимых аберрациях. Постепенно добавляя в такое изображение контраст деталей, оценка качества будет постепенно ухудшаться в зависимости от аберраций системы и, главное - в зависимости от добавления контраста в детали тестового изображения, что не есть свойство исследуемой оптической системы.

- прекрасная идея тест-объекта, и, Бог даст, вставлю в РОС.

не ясно, как разбивается на пикселы изображение тестовой картинки, и какие тут могут возникать биения растра или полосы муара.

Тестовая картина - это изображение тест-объекта, снятое на какую-либо видео- или фото-камеру. В графическом редакторе это изображение обрабатывается с целью достижения максимального контраста (градиентов перехода свет-тень) и сохранения изображения в формате, читабильном программой РОС (FITS-формат). При формировании зрачковой функции всего тест-изображения РОС обрабатывает последовательно каждый его пиксель: создает зрачковую функцию и суммирует ее со зрачковой функцией предыдущего пикселя и так - пока не будут сложены зрачковые функции для всех пикселей тест-изображения.
Муар в системах с ЦЭ возникает, вероятнее всего, в результате интерференции двух волн, идущих от краев отверстия и собственно входного зрачка; эти "волны" формируются в "черном ящике" процедуры БПФ.
Правда, в последних версиях РОС тест-объекты берутся не из снимков, а как результаты преобразований Фурье (БПФ) зрачковых функций (OPD) для искусственных тест-объектов: одной или нескольких звезд, а также 3х- или 4х-штриховых мир. Дискретизация их изображений зависит от числа сечений входного зрачка и разрешающей способности тестируемого объектива (размера пятна рассеяния).

Ведь оптические системы обладают дисторсиями, а всякие внеосевые еще имеют разные увеличения по направлениям

- об этом можно не опасаться, так как тест-объекты в поле занимают всего несколько угловых секунд.

Качество тестового изображения влияет на результат оценки оптической системы.

- Тест-изображения выбираются лучшие (образцовые) изображения объектов из всех известных в и-нете. В этом вопросе еще есть такой нюанс, как идентичность параметров (тип, светосила, Ф) снимающего и тестируемого объективов, а также  условия съемки объекта.
В последних же версиях РОС в качестве таковых используются искусственно создаваемые тест-объекты из одной или из нескольких звезд.

Спасибо, Gleb1964!
Своими замечаниями Вы сделали для РОС два вклада:
- как с помощью тест-изображения вычленить влияние ЦЭ,
- новый тест-объект в виде плавного градиента.

[Gleb1964]

я бы разделил здесь, что тестируется. С одной стороны вы предлагаете в программе встроенные средства для тестирования оптики. А с другой стороны речь может идти о тестировании предлагаемых вами методов-средств на корректность и адекватность по результату. В этом плане я и говорил про пример клина, как пример объекта, в котором нет высоких или даже средних пространственных частот, передача контраста по которым повлияет на оценку, выдаваемой вашим методом. Можно ведь и еще проще - тест объект в виде ровного поля - из за эффектов виньетирования ваш метод определит отклонение от оригинала и выдаст плохую оценку "качества чего-то", но чего? Изображения то нет, нет деталей.

[ekvi]

оценку "качества чего-то", но чего? Изображения то нет, нет деталей.

   Конечно, программа призвана тестировать оптику, но, поскольку имеются сомнения в ее корректности, приходится изобретать средства для ее самотестирования, в которых бы методические ошибки самоликвидировались. В РОС такие средства использованы:
1. Фит-маска, которая получается в виде фона - как разность между идеальным и реальным дифракционными изображениями тест-объектов. При формировании "фона" собственные ошибки программа вычитает.
2. Численная оценка "фона" посредством критерия dIsqim.
  В идеале необходим критический анализ программного кода программы РОС, либо сопоставление его кода с кодом ЗеМакс'а или Демоса.

Что касается изображения, то тест-объект и не должен быть собственно изображением, т.к. он по своему назначению условен, а потому априори искусственен.

[ekvi]

Программа ROS# только для расчета и оценки качества оптики:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU
На иллюстрации - полный тест линзового объектива.

[Дмитрий Серегин]

Уважаемый Владимир, на мой взгляд с интерферограммами(Волновая ошибка) что-то не так.
Попробуйте сравнить с Zemax.

[ekvi]

Уважаемый Владимир, на мой взгляд с интерферограммами(Волновая ошибка) что-то не так.
Попробуйте сравнить с Zemax.

Поправил:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU
С ЗеМаксом сравню.

[Дмитрий Серегин]

Стало лучше, но больше похоже на многолучевую интерферограмму, чем на классическую интерферограмму.
Должно быть синусоидальное распределение.
 

[ekvi]

Стало лучше, но больше похоже на многолучевую интерферограмму

При узкой полосе лучше проводить измерения, а, значит, точнее оценивать.

Но Ваше предыдущее замечание было существеннее: размах волновой ошибки  РОС завышал в 2 раза.
Это сложилось "исторически": волновая ошибка вначале считалась в абсолютных величинах (в мм). Но, поскольку в процедуре преобразования Фурье требуется не W, а W/Lambda, то процедура расчета волновой ошибки (зрачковой функции) была переведена в относительные величины, W/Lambda. На графиках же по-прежнему размах ошибки продолжал удваиваться. Сейчас эта "опечатка" исправлена.

Для сравнения с ЗеМаксом выбрана простейшая система - зеркальный телескоп Ф100 и F/D = 9, так как здесь не возможно "заблудиться", а, главное, можно произвести проверку численного значения размаха волновой ошибки, выраженного в полосах, по формуле
N = H^4/8/R^3.
На иллюстрации приведены скриншоты РОС и зеМакс для 1-зеркального телескопа Ф100 с F/D = 9. Графики W = f(y) построены для центра поля.

РОС для пользователей:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU

[yas]

ЗеМаксом

Земакс - это кличка собаки. Поэтому две заглавные буквы здесь не уместны.

[Дмитрий Серегин]

Собаку звали Max.
 

[ekvi]

Земакс - это кличка собаки. Поэтому две заглавные буквы здесь не уместны.

Как мог заметить "проницательный" комментатор, были сомнения: ZEMAX - то ли программа названа в честь любимой собаки, то ли собаке оказана столь высокая честь. Известно, что Кеннет Мур первые версии  своей программы наименовал от "Максимум", но в дальнейшем он посчитал это не скромным и замаскировал свою программу под имя домашней собаки. Но его максимализм подтвердила жизнь, и я склонен снимать шляпу перед MAXIMUM, то есть все-таки зеМакс.

на мой взгляд с интерферограммами (Волновая ошибка) что-то не так.

Именно: см. иллюстрации.
Из графика ОПД зеМакса видно, что волновая ошибка не обработана - сферический вклад не вычтен, а он устраняется простой перефокусировкой, т.е вычетом сферической составляющей.  Когда систему контролируют на интерферометре, стремятся достичь минимума искривления полос - этим и занимается РОС: он вычитает все наклоны и стрелку ближайшей сферы сравнения, в результате в чистом виде остается асферичность фронта.
Мое мировоззрение по этому вопросу изложено в курсе лекций ОФООП:
http://yadi.sk/d/OVQa3N0qCqdMr
Поскольку преобразование Фурье очень чувствительно к малейшим вариациям зрачковой функции, то от этого и ЧКХ заметно разнятся - поэкспериментируйте с "Зональной ошибкой" на странице "Тест" левого блокнота РОС.
Паспорт программы находится в ее коде - исследуйте "писание".

[Дмитрий Серегин]

Величина волновой ошибки для центра зрачка должна иметь общее значение во всех сечениях.

[ekvi]

Величина волновой ошибки для центра зрачка должна иметь общее значение во всех сечениях.

Имеется в виду - для разных спектральных линий?
У меня Земакс от 2006 г. и, разумеется, его автор не стоит на месте, и в Земаксе все это, наверное, уже задействовано.

Кстати, Дмитрий, если не трудно, скиньте, пожалуйста, скриншот программы РОС с Вашего высокоразрешаюшего монитора - хочется посмотреть на результаты масштабирования интерфейса программы, т.к. у моего дисплея экран 1280х800.

[Дмитрий Серегин]

Для одной спектральной линии.

[ekvi]

Хочу высказать следующее соображение по дальнейшему развитию программы РОС.

Как известно, оптические корифеи скептически рассматривали показатели стекла, как параметры оптимизации. Но так будет обстоять дело только до тех пор, пока за программу РОС (= расчет оптических систем) не возьмется специалист по стеклу, для которого не составит особого труда путем изменения рецептуры стекла обеспечить плавное изменение его показателей.

Разумеется, такое вначале будет сделано для конкретной системы, но затем это распространится и на системы под заказ. Кстати, стекла ТК14 и ТК16 - тому пример. Я понимаю, что на сегодня это - только мечта.

[ekvi]

Величина волновой ошибки для центра зрачка должна иметь общее значение во всех сечениях.

Чтобы для центральной точки изображения сагиттальная (s) и меридиональная (m) кривые не сливались, они были разнесены на 2 пикселя и, кроме того, строились каждая в своем масштабе.
Теперь разнос кривых сокращен до 1 пикселя и они строятся в одном масштабе (см. иллюстрацию).
Исправленная версия для пользователей:
http://yadi.sk/d/igg9zkWOJNZZU