Теневой прибор Советский патент 1983 года по МПК G02B27/52 

Изобретение относится к прикладной оптике и может быть использовано для исследования оптических неоднородностей. Известен теневой прибор, в котором для визуализации оптических неоДнородностей используется фазовый нож Недостатком данного прибора является его низкое пространственное разрешение. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является теневой прибор, содержащий точечный источник белого света, коллиматор, исследуе1 слй объект, Фурьепреобразующую линзу, полуволновую фазовую пластину, установленную в задней фокальной плоскости линзы с возможностью перемещения в направле нии, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, элемент обрат ного Фурье-преобразования и регистрирующее устройство, оптически сопряженное с исследуемым объектом. В этом приборе элемент обратного Фурье-преобразования выполнен в вид сферического зеркала-, работающего совместно с поляризационным светоделительным кубиком . Недостатками известного устройст за являются низкое пространственное разрешение по исследуемому объекту ограничение фазоконтра.стной чувствительности, большие светопотери, а также сложность определения полной двумерной.картины оптических неод нородностей. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами. Известно, что фазоные искажения непосредственно зарегистрировать не возможно. Для этой цели применяют визуализирующие элементы, действие которых в составе теневых приборов сходно с операцией дифференцироваНИН исследуемого поля. Описание пол через его производную не вносит ни каких затруднений, так как постоян ная интегрирования равна начальной фазе поля и значение ее несуществе но. В реальных приборах осуществит идеальное дифференцирование нельзя но можно приблизиться к нему сколь угодно близко. Из теории Фурье-пре обг азований известно,, что производ ная функции Ф(х) равна обратному Фурье-преобразованию от произведение ( ) , где F-( И - Фурье-преобразование от (|)(х). Дпя точного дифференцирования н обходим транспарант, имеющий ампли тудный коэффициент пропускания Т(Н, где - задано в интервале 00, 00 . Такой фильтр в оптике изгото вить невозможно, так как всегда |Т(«)/Я. В теневом приборе-прототипе транспарант - полуволновая фазовая пластина - реализует фазовый скачок на 180, который является весьма грубьпу приближением к требуемой линейной зависимости. Фурье-образ Фазового скачка совпадает с ядром Гильбертпреобразования, которое выполняет операцию дифференцирования и сглаживания с медленно убывающими крыльями и имеет малый динамический диапазон фазово-контрастной характеристики. Приближенный характер дифференцирования Гильберт-преобразования не принимается во внимание и результаты измерений теневого прибора трактуются как производная исследуемого поля. При таком подходе невозможны ни измерения больших фазовых искажений, ни в;зоне поля,, расположенной рядом с сйльными неоднородностями, так как i без того короткая характеристика оказывается перегруженной информацией из соседних зон. В частности не могут быть исследованы искажения, лежащие вблизи края апертуры, т.е. сильной неоднородности, а эта зона составляет обычно 20% исследуемого поля. Цель изобретения - увеличение пространственного разрешения при повышении чувствительности и ахроматизации в широкой области длин волн. Поставленная цель достигается тем, что в теневом приборе, содержащем точечный источник белого цвета, коллиматор, исследуемый объект, Фурье-преобразующую, полуволновую фазовую пластину, установленную в задней фокальной плоскости линзы с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, элемент обратного Фурьепреобразования и регистрирующее устройство, оптически сопряженное с исследуемым объектом, на полуволновую фазовую пластину нанесено поглощакядее металлическое покрытие с градиентом плотности, перпендикулярным фазосдвигающей ступени пластины, имеющее нулевое пропускание на линии фазового скачка, причем пластина выполнена из двух различных сортов оптического стекла, у которьк для средней длины волны рабочего спектрального интервала производные по длине волны отношений показателя преломления к длине,, волны равны между собой. На фиг. 1 показана оптическая схема .теневого прибора; на фиг. 2 устройство волуволновой амплитуднофазовой пластины и вид зависимости ее амплитудного пропускания от координаты вдоль оси, перпендикулярной фазосдвигающей- ступени пластины; на фиг. 3 - вид зависимостей фазового сдвига, вносимого этой пластиной от длины волны для различных комбинаци сортов стекла, из которых выполнена пластина. Предлагаемый теневой прибор вклю чает в себя точечный источник 1 белого света, коллимирующую линзу 2, исследуемый прозрачный объект 3, Фурье-преобразующую линзу 4, полуволновую фазовую пластину 5; установленную в задней фокальной плоско ти линзы 4 с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, линзу 6, осуществляющую обратное Фурье-преобразование, и. панорамное регистрирующее устройство 7, оптически сопряженное линзами 4 и 6 с исследуемым объектом 3. При этом пластина 5 образована двумя соединенными между собой плоскопарал-. лельными пластинами 8 и 9 с одинако вой расчетной толщиной, которые выполнены из различных по показателю преломления специально подобранных сортов стекла. На скрепленные пластины 8 и 9 нанесено поглощакедее металлическое покрытие переменной плотности. Градиейт плотности покрытия 10 ориенти рован перпендикулярно фазосдвигающе ступени пластины 5, т.е. плоскости стыковки пластины 8 и 9, причем на линии фазового: скачка покрытие 10 имеет нулевое П1ропускацие (фиг. 2, кривая 11) . Поглощакядее покрытие 10 можно из готовить, например, методом вакуумного напыления. Его толщина зависит от требуемого пропускания в данном месте пластины и от поглощающих свойств напыляемого материала. Толщина покрытия обычно много меньше длины волны. Компоненты 8 и 9 ампли тудно-фазовой пластины 5 выполнены из таких сортов стекла, у которых для средней длины волны рабочего спектрального интервала производные по длине 9ОЛНЫ отношений показателя преломления к длине волны равны между собой. При этом могут ИСПОЛЬзоваться, например, следующие комби нации сортов стекла: БФ-7 и БФ-6 толщиной 25,0 мкм (фиг. 3, кривая 1 БФ-13 и БФ-12 толщиной 21,6 мкм (кривая 13), а также К-8 и К-14 тол щиной 188,7 мкм (кривая 14). Толщина пластины 5 вычисляется с учетом показателей преломления выбранных сортов стекла из условия реализации фазового скачка со средней величиной 180°. Пластина 5 (кроме поперечного смещения) имеет возможность поворота на 90 вокруг оптической оси при бора. Полихромный световой поток, выходящий из точечного источника света 1, коллимируется линзой 2 и про свечивает исследуемый объект 3, имеющий фазовые неоднородности. Промодулированный объектом 3 световой поток собирается линзой 4 в ее за;дней фокальной плоскости, т.е. в плоскости Фурье-преобразования, где установлена амплитудно-фазовая пластина 5. Объектив строит на фоточувствительной части панорамного приемника плоскую картину, соответствующую неоднородностям объекта 3. При этом поглощающее покрытие 10 фазовой пластины 5 подавляет крылья ядра Гильберт-преобразования, улучшая его дифференцирующие свойства. Центр ядра, т.е. его дифференцирующая часть, не затрагивается, и в этом смысле никаких светопотерь не происходит. Такой транспарант позволяет реализовать любые, наперед заданные характеристики теневого прибора по пространственному разрешению и динамическому диапазону измеряемых фазовых искажений и, следовательно, по пороговой чувствительности прибора.. Конкретный вид пропускания пластины 5 зависит от требований к иирине ядр или к динамическому диапазону. Например, если ядро должно иметь вид (быстро убывающая функция при ), то Т() erf (2) (фиг. 2), где erf - интеграл вероятности, с параметр, определяющий эффективную ширину ядра. Прио: оператор стремится к идеально дифференцирук5щему, а динамический диапазон и пространственное разрешение стремятся к бесконечности.. Естественно, что при этом световой поток от площадки, равной элементу разрешения, будет стремиться к нулю. Указанные выше требованияк выбору сортов стекла компонентов пластины 5 обеспечивают при допустимой погрешности фазового сдвига 5 расширение рабочего спектрального интервала примерно в 100 раз по сравнению со случаем применения классического фазового ножа (фиг. 3). Если требования к допустимой погрешности жестче, то преимущества предлагаемой пластины еще ощутимее. Сдвиг плйстины 5 в направлении, перпендикулярном ее фаэосдвигающей ступени, т.е. в направлении градиента плотности, позволяет определять знак производной, а разворот пластины на 90 вокруг оси прибора - проводить измерения по двум направлениям.

Таким образом, Применение ахроматиэированной амплитудно-Фазовой пластины позволяет создать тенепой прибор с любыми наперед заданными характеристиками по пространственному

разрешению и пороговой чувствительности измеряемых фазовых искажений, имеющий мад1ые светопотери благодаря использованию широкого участка спектра источника света.

to

у хУХ/ху/х/: 9

V.

- yf/W/l

ff.7