УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТИВА Российский патент 1997 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к когерентным устройствам контроля качества объектива, и может быть использовано для контроля фурье-преобразующих свойств объективов, применяемых в голографии, системах пространственной фильтрации и т.п.

Известное устройство, содержащее последовательно расположенные по оптической оси когерентный осветитель, формирующий параллельный пучок излучения, амплитудную решетку, телескопическую систему, вторым компонентом которой является контролируемый фурье-объектив, плоскость регистрации в его задней фокальной плоскости плоскости изображения решетки, по которому оценивается качество фурье-объективы [1]
Недостатком этого устройства является низкий световой КПД. Так, например, при синусоидальной форме амплитудного коэффициента пропускания решетки в первых гармониках интерференционной картины, используемых для последующей электронной обработки, сосредоточено всего лишь 12,5% энергии освещающего пучка.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее последовательно расположенные по оптической оси когерентный осветитель, формирующий параллельный пучок излучения, амплитудный пространственный фильтр в виде непрозначного диска с двумя отверстиями, расположенный в передней фокальной плоскости фурье-объектива, плоскость регистрации в задней фокальной плоскости фурье-объектива, в которой формируется интерференционная картина, по распределению освещенности в которой оценивается качество фурье-объектива [2]
Недостатком известного устройства также является низкий световой КПД. Так, например, для получения размера интерференционной картины 21 ик 30 мм при фокусном расстоянии фурье-объектива фо 200 мм диаметр отверстий равен всего лишь 10 мкм, т.е. его световой КПД много меньше, чем у устройства с гармонической амплитудной решеткой.

Устранение указанного недостатка достигается тем, что устройство, содержащее последовательно расположенные по оптической оси когерентный осветитель, формирующий параллельный пучок излучения, пространственный фильтр, расположенный в передней фокальной плоскости фурье-объектива, плоскость регистрации в задней фокальной плоскости фурье-объектива, снабжено дополнительным объективом, расположенным между пространственным фильтром и фурье-объективом, и полевой диафрагмой, расположенной в непосредственной близости за пространственным фильтром, а пространственный фильтр выполнен фазовым в виде двух отрицательных линз, симметрично срезанных относительно оптической оси устройства и соединенных по линии среза, оптические оси которых параллельны оптической оси устройства, при этом задние фокальные плоскости линз оптически сопряжены с передней фокальной плоскостью фурье-объектива, и полевая диафрагма выполнена в виде непрочного диска с двумя отверстиями, расположенными без промежутка между ними на линии, соединяющей центры линз пространственного фильтра симметрично относительно оптической оси устройства, причем фокусное расстояние линз пространственного фильтра и расстояние между пространственным фильтром и дополнительным объективом связаны соотношениями
f_л=lk/[λν(I+I_икМk/1)],
a I_икМ f_л K/I,
где f_л фокусное расстояние линз пространственного фильтра;
I расстояние от оптической оси линзы пространственного фильтра до оптической оси устройства;
k отношение фокусных расстояний дополнительного объектива до и фурье-объектива
λ длина волны излучения;
n пространственная частота интерференционной картины,
2I_икМ размер интерференционной картины в меридиональном сечении, проходящем через линию, соединяющую центры линз пространственного фильтра.

На фиг.1 представлена функциональная оптическая схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 представлены виды полевой диафрагмы устройства.

Устройство содержит когерентный осветитель 1, пространственный фильтр 2, полевую диафрагму 3, дополнительный объектив 4, фурье-объектива 5, плоскость регистрации 6.

Устройство работает следующим образом. Когерентный осветитель 1 формирует параллельный пучок излучения, освещающий пространственный фильтр 2. Линзы пространственного фильтра 2 фокусируют излучение в своих задних фокальных плоскостях, образуя тем самым на своих параллельных оптических осях два когерентных изображения источника излучения. Дополнительный объектив 4 формирует вторичные изображения источника в передней фокальной плоскости фурье-объектива 5. В плоскости регистрации 6, расположенной в задней фокальной плоскости фурье-объектива, формируется интерференционная картина, по распределению освещенности в которой оценивается качество фурье-объектива 5.

Требуемый размер интерференционной картины в меридиональном сечении I_икМ, проходящем через линию, соединяющую центры линз пространственного фильтра, определяется лучом, исходящим из изображения источника, сформированного пространственным фильтром, и проходящим через оптическую ось фильтра Эпунктир на фиг. 1, а). Из фиг. 1 (а) следует

где
Тогда

откуда необходимое для получения заданного I_икМ расстояние между пространственным фильтром и дополнительным объективом равно

Фокусное расстояние линз f_л пространственного фильтра выражается через параметры интерференционной картины ν и I_икМ следующим образом:

Подставляем в это выражение значение a, получим
f_л=lk/[λν(I+l_икМk/l] (5)
Расстояние между фокальными плоскостями дополнительного объектива и фурье-объектива при этом будет равно

В результате интерференции двух параллельных пучков за фурье-объективом сформируется интерференционная картина, распределение освещенности в которой имеет вид
l=4cos²(2πνx)=2[I+cos(4πνx)] (7)
В первой гармонике этого распределения содержится 50% энергии, т.е. в 4 раза больше, чем в изображении гармонической амплитудной решетки.

Форма кадра интерференционной картины определяется формой полевой диафрагмы на пространственном фильтре. На фиг. 2 показаны пространственный фильтр 2 с полевой диафрагмой 3 или получения круглой формы кадра интерференционной картины (фиг. 2а) и пространственный фильтр для получения кадра прямоугольной формы (рис. 2б).

Размер полевой диафрагмы I_дм в меридиональном сечении определяется, исходя из требуемого расстояния f' фо до интерференционной картины с резкими границами

откуда

Размер интерференционной картины в сагиттальном сечении I_икС, проходящем через оптическую ось линзы пространственного фильтра (см. фиг. 1, б), определяется размером полевой диафрагмы I_дс в этом сечении и равен

откуда размер полевой диафрагмы в сагиттальном сечении равен

Реализация устройства иллюстрируется следующим примером.

Для получения интерференционной картины размером 2I_икМ 30 мм с пространственной частотой ν=0,5 мм^-1 на длине волны λ=0,6 мкм используются дополнительный объектив с фокусным расстоянием 10 мм и фурье-объектив с фокусным расстоянием 200 мм (k 0,05). Фокусное расстояние отрицательных линз пространственного фильтра находится из (5) и равно f_л 33 мм, а расстояние от оптической оси линзы до линии среза выбирается равным I 0,5 мм.

Подставляя полученные величины в (4) и (6), получим расстояние между пространственным фильтром и дополнительным объективом а 49,5 мм, и расстояние между фокальными плоскостями дополнительного объектива и фурье-объектива d 1,2 мм.

Для получения квадратного кадра интерференционной картины 2I_икМ х 2I_икС 30 х 30 мм² с резкими границами на расстоянии 5000 мм размер прямоугольных отверстий полевой диафрагмы должен быть равен 2I_дм х 2I_дс 0,4 х 0,6 мм². При этом, поскольку размеры полевой диафрагмы малы, возможно освещение фильтра непосредственно излучением от лазера, т.е. без использования осветителя.

Использование: оптическое приборостроение. Устройство для контроля качества объектива содержит последовательно расположенные по оптической оси когерентной осветитель 1, формирующий параллельный пучок излучения, пространственный фильтр 2, расположенный в передней фокальной плоскости фурье-объектива 5, плоскость регистрации 6. Дополнительный объектив 4 расположен между пространственным фильтром 2 и фурье-объективом 5. Пространственный фильтр 2 выполнен фазовым в виде двух отрицательных линз, симметрично срезанных относительно оптической оси устройства и соединенных по линии среза, оптические оси которых параллельны оптической оси устройства, при этом задние фокальные плоскости линз оптически сопряжены с передней фокальной плоскостью фурье-объектива 5, а полевая диафрагма выполнена в виде непрозрачного диска с двумя отверстиями, расположенным без промежутка между ними на линии, соединяющей центры линз пространственного фильтра симметрично относительно оптической оси устройства. 2 ил.

Устройство для контроля качества объектива, содержащее последовательно расположенные по оптической оси когерентный осветитель, формирующий параллельный пучок излучения, и пространственный фильтр, а также фурье-объектив и плоскость регистрации, расположенную в его задней фокальной плоскости, отличающееся тем, что оно снабжено расположенным перед фурье-объективом дополнительным объективом и полевой диафрагмой, расположенной за пространственным фильтром, в непосредственной близости к нему, при этом пространственный фильтр выполнен фазовым в виде двух отрицательных линз, симметрично срезанных относительно оптической оси устройства и соединенных по линии оси среза, оптические оси которых параллельны оптической оси устройства, а задние фокальные плоскости линз оптически сопряжены с помощью дополнительного объектива с передней фокальной плоскостью фурье-объектива, причем полевая диафрагма выполнена в виде непрозрачного диска с двумя отверстиями, расстояние между центрами которых меньше суммы их радиусов и расположенными на линии, соединяющей центры линз пространственного фильтра симметрично относительно оптической оси устройства, причем фокусное расстояние линз пространственного фильтра и расстояние между пространственным фильтром и дополнительным объективом связаны соотношениями
f_л= l_к/[λν(1 + l_икмk/l);
a l_и к м f_л k/l,
l расстояние от оптической оси линзы пространственного фильтра до оптической оси устройства;
k отношение фокусных расстояний объектива и фурье-объектива
λ длина волны излучения;
n пространственная частота интерференционной картины;
2l_и к м размер интерференционной картины в меридиональном сечении, проходящем через линию, соединяющую центры линз пространственного фильтра.