Устройство для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем и элементов Советский патент 1984 года по МПК G01J1/20 

1 Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для измерения характеристик оптических элементов и систем в лабораторных или цеховых условиях в процессе производства оптических приборов, например многозональных сканирующих радиометров. По основному авт.св,, № 744240 известно устройство для измерения коэф(1зицнентов светопропускакия оптических систем и элементов,со держащее коллим1-фованный источник из лучения, светоделительный элемент, автоколлимационное зеркало и фотоприег-1ное устройство, в котором источ ник излучения выполнен в виде монохроматора, выходная щель которого совмещена с фокальной плоскостью объектива коллиматора, между светоделительным элементом и фотоприемником установлена телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен со -светочувствительной площадкой фотоприемника, а входной зрачок. - с диафрагмой, за кото.оой нормально к оптической оси установлено плоское зеркало, обращенное отражающей плоскостью к автоколлимационному зеркалу, при этом плоское и автоколлимационное зеркала установлены с возможностью вывода из хода световых лучей, а барабан длин волн монох роматора снабжен датчиком положения выход которого совместно с выходом фотоприемного устройства подключен к цифровому вычислителю Ll . Недостатком известного устройсогва является пониженная точность изме рений, обусловленная искажениями регистрируемого сигнала. Эти искажения обусловлены излучением, отраженным от преломляющих поверхностей контролируемой системы распространяющимся в оптическом тракте устройства,и одновременно с полезным сигналом,попадающим на чувствительную площадку фотоприемника. Снижение точности особенно велико в инфракрасном диапазоне, где исполь зуются материалы с большими показателями преломления,и, следовательно интенсивность излучения, отраженного преломляющими поверхностями, увеличивается. Другим недостатком известного ус ройства является большое количество ручных операт ий перестановки и регу лировки автоколлиматлионного зеркала 82 повторяемых при каж(,ом измерении на всех контролируемых длинах волн«Это обуславливает высокую трудоемкость и низкую производительность процесса измерений. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения искажений, вносимых излучением, отраженным от преломляющих поверхностей исследуемых систем и элементов, посредством частотной селекции полезного сигнала и за счет повьшения отношения сигнал-шум посредством уменьшения эффективной шумовой полосы фотоприемника. I Для достижения указанной цели в устройство для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем и элементов, содержащее коллимированный источник излучения, светоделительный элемент, автоколлимационное зеркало и фотоприемное устройство, в котором источник излучения выполнен в виде монохроматора, выходная щель которого совмещена с фокальной плоскостью объектива коллиматора, между светоделительным элементом и фотоприемником уста.ювлена телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен со светочувствительной площадкойфотоприемника, а входной зрачок - с диафрагмой, за которой нормально к оптической оси установлено плоское зеркало, обращенное отражающей плоскостью к автоколлимационному зеркалу, при этом плоское и автоколлимационное зеркала установлены с возможностью вывода из хода световых лучей, а барабан дпин волн монохроматора снабжен датчиком положенияS выход которого совместно с выходом фотоприемного устройства подключен к цифровому вычислителю, дополнительно введены первая поглодающая заслонка, связанная с автоколлимационным зеркалом, и вторая поглощающая заслонка,привод поочередного ввода вывода в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, а также второй поглощаклдей заслонки с фиксированной частотой, узкополосный электрический фильтр, частота пропускания которого равна указанной фиксированной частоте, измеритель сигнапов переменного тока и программный блок, причем вторая поглощающая засдонка установлена между автоколлима31 (щонным зеркалом со связанной с ним лервой поглощающей зас-понкой и плос ким зеркалом, между фотоприемным устройством и цифровым вычислителем последовательно включены узкополосный электрический фильтр и измеритель сигналов переменного тока, при этом выход датчика положения барабана длин волн монохроматора подключен к входу программного блока,первый выход которого соединен с приводом ввода-вывода, а второй выход подключен к входу тдифрового вычислителя. Сущность изобретения заключается в том, что наличие в устройстве двух роглощакйцих заслонок и привода,обесп чивающего по командам, программного блока поочередный, с фиксированной частотой ввод-вывод в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, установленных на входе исследуемых систем и элементов,или второй поглощающей заслонки, установленной на выходе таких систем, позволяет осуществить модуляцию соответственно подающего или прошедшего исследуемую систему излучения и сигналов фо топриемного устройства. Наличие в электронном тракте настроенного на фиксированную частоту модуляции узкополосного фильтра позволяет обеспечить отстройку измеряемых сигналов от-помех, вносимых внешними зас ветками, рассеянным и отраженным от преломляющих поверхностей светом, дрейфовыми процессами и наводками в электрических цепях, так как составляющие частотного спектра перечи ленных помех отличаются от частот пропускания узкополосного фильтра и отфильтровываются им, не внося ис кажений в измеряемый сигнал. При этом, осуществление модуляции свето вого потока с помощью автоматически действующего, управляемого программным блоком привода, который с заданной частотой приводит в движение элементы устройства (в том числе автоколлимационное зеркало),искл чает необходимость выполнения много кратных ручных операций по перестановке и регулировке автоколлимацион ного зеркала. На чертеже изображена схема пред лагаемого устройства для измерения 8 KC:j44 UnejiTOB светопропускания оптическнх систем и элементов. Устройство включает монохроматор 1э объектив 2 коллиматора, светоделительную пластину 3, диафрагму 4, автоколлимационное зеркало 5,плоское зеркало 6, телескопическую систему 7, фотоприемное устройство 8, дат-. чик 9 положения барабана длин волн монохроматора, цифровой вычислитель 10, первую и вторую поглощающие заслонки 11 и 12 5 привод 13 поочередного ввода поглощающих заслонок и автоколлимационного зеркала 5 в световой поток, программный блок .14, узкополосный фильтр 15 и измеритель сигналов переменного тока 16.Положение исследуемой оптической системы или оптического элемента обозначено 17. Устройство работает следующим образом. После предварительной юстировки, которая заключается в установке плоского зеркала 6 в фокальной плоскости исследуемой оптической системы 17, на монохроматоре 1 выставляется контролируемая длина волны А . При этом сигнал с датчика 9 барабана длин волн монохроматора, информирующий об установке требуемой длины волны, поступает на цифровой вычислитель 10 и нэ программньш блок 14, по команде которого цифровой вычислитель включается в режиме ввода сигнала, а привод включается в первом ;режиме работы, при котором он обеспечивает поочередный ввод-вывод в световой поток с фиксированной частотой f,. автоколлимационного зеркала 5 и связанной с ним первой поглощающей зас- лонки 1I. При введенном в ход лучей автоколлимационном зеркале 5 и выведенной первой заслонке 11, излучение монохроматора 1, коллимированное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4,отражается от плоского зеркала 6, вновь проходит диафрагму 4, отражается от светоделительной пластины 3 и )pмируется телескопической системой 7 на фотоприемном устройстве 8. При введенной в ход лучей первой поглощающей заслонке 1I и выведенном автоколлимационном зеркале 5, монохроматора 1, коллимированное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4, падает $11 на первую заслонку 1 и поглощается на ее поверхрости. Таким образом, излучение, направляемое на вход ис следуемой системы, поочередно отражается автоколлимационным зеркалом 5 в оптический тракт устройства и возбуждает сигнал фотоприемного устройства и поглощается первой заслонкой 1 1 и не достигает фотоприемного устройства. При этом с фиксированной частотой лд осуществляется модуляция светового потока, направляемого на вход исследуемой системы и соответствукяцего ему сигнала фотоприемного устройства. С фотоп1риемного устройства .сигнал поступает на узкополосный фильтр, настроенный на f. На выходе фильтра выделяет ся составляющая сигнала, отстроенная от шумов и помех, частоты котополосы пропусрых лежат вне Далее сиг-, кания Uf фильтра, на измеритель нал поступает сигналов переменного тока, и затем на вход цифрового вычислителя,, в запоминающем устройстве которого фик сируется измеренная величина Ui . Через заданный интервал времени программный блок формирует команду, по которой цифровой вычислитель вклю чается в режим ввода сигнала U-д , а привод включается во втором режиме работы, при котором он обеспечивает .8)зод вывод второй поглощающей заслонки 12 в световой поток с частотой д|(при выведенных первой заслдон ке 11 и автоколлимационном зеркале 5). При выведенной из хода лучей второй заслонке 12 излучение монохр матора 1, коллимированное объективо 2, проходит светоделительную плас тину 3, диафрагму 4, исследуемую систему 7 (причем часть потока отражается щ еломляющимн поверхностями контролируемой системы в обратном

направлении), отражаете плоским зеркалом 6, снова проходит исследуемую систему, и вместе с отраженным преломляющим излучением проходит диафрагму 4, отражается светоделительной пластиной 3 и формируется телескопической системой 7 на фотоприемном устройстве 8. При зтом на фотоприем ное устройство одновременно поступают и излучение, дважды прошедшее контролируемую систе1-1у, и излучение, отраженное от ее преломляющих поверхностей При введенной в ход лучей

раммным блоком, привод ввода-вывода выключается, .а цифровой вычислитель производит- вычиспение значения коэффициента пропускания по формуле

yk

гUn

После этого на монохроматоре выставляются следующие значения длин волн и измерения повторяются требуемое количество раз. При этом при каждом измерении обпеспечивается отстройка модулированного сигнала от искаясений, вносимых кемодулированным излувторой поглощающей заслонке 12, излучение монохроматора 1 „ коллкм --:рованное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4, исследуемую систему 17. (причем часть потока отражается преломля ощи,ми поверхностями в обратном направлении) и поглощается на второй заслонке 12, На фотоприемное устройство поступает только излучение, отраженное преломляющими поверхностями контролируемой системы. Таким образом, во втором режиме работы на фотоприе№1ое устройство поочередно поступает излучение5дважды прошедшее исследуемую систему,плюс излучение, отраженное ее преломляющими поверхностями или же только излучение, отраженное преломляющими поверхностями исапедуемой систек;..:. Так как модулированная составлуяющая равна разности потоковj попадающих на фотоприемное устройство при введенной и при выведенной заслонке, то в этом случае в устройстве модулируется толысо поток, дваиоды прошедший контролируемую систему, а поток, отраженный пpeлo iП пoщимJi поверхностями, остается немодулированным, С выхода фотоприемного устройства сигнал поступает на узкополосный фильтр 15, осуществляющий отстройку его полезной модулированной составляющей от шумов и помех, частоты спектра которых лежат вне полосы пропускания фильтра, я в том числе от немодулированного сигнала, соответствующего отражению от преломляющ {х поверхностей исследуемой систе ы. Далее сигнал поступает на измеритель переменного тока и затем на вход цифрового вычислителя, в запоминающем устройстве которого фиксируется веЧерез заданный интервал личина U« времени по команде, формируемой прогением, что обеспечивает повьопенне очности измерений.

Конкретное выполнение устройства для измерения коэффициентов свето- s пропускания оптических систем и элементов Может быть осуществлено согласно схеме, приведенной на чертеже с использованием промьшшенно выпускаемых приборов и элементов. При О этом в качестве монохроматора I может использоваться монохроматор МДР-23, снабженный датчиком 9 положения барабана дпин волн; в качестве объектива коллиматора 2 - линзовый объек- 15 гив или внеосевое параболическое зеркало; в качестве светоделительной пластины 3 может быть использована кварцевая или флюоритовая плоскопараллельная пластина с полупрозрач- 20 ным алюминиевым покрытием.Диафрагма 4 может быть выполнена ирисовой (это облегчает согласование апертуры устройства и зрачка контролируемой системы), автоколлймационное зер- 25 капо 5 и зеркало 6 - плоские, с наружным отражающим покрытием, а телескопическая система 7 - линзовая, рассчитанная на рабочую область спектра. В качестве фотоприемника 8 30 могут быть использованы фотоумножители или фотодиоды. В качестве узкополосного фильтра 15 используется индуктивно-емкостной полосовой фильтр, а измерителем сигналов пере- jj менного тока может служить цифровой ворьтметр ВЗ-24. В качестве цифрового вычислителя может быть использована микро-ЭВМ Электроника 60М, Элемент 12 выполняется в виде одно- 40 или многолопастного обтюратора, а элементы 5 и I1 - в виде зеркального диска с наполовину зачерненной отражающей поверхностью. Привод может быть выполнен в виде двух синхронных 45

днигателей, каждый из которых приво,ииг во вращение обтюратор или зеркальный диск. При этом двигатель, вращающий диск, должен быть снабжен, например, соленоидным механизмом установки зеркального диска в световой поток. Программный блок может быть выполнен в виде двух последовательно срабатываюпцгх реле времени.

Инструментальная погрешность описанного реального устройства определяется как сумма случайной ошибки и неучтенной систематической погрешности элементов и составляет 8 ( IX.

При измерениях коэффициентов пропускания плоско-выпуклой линзы (радиусы кривизнь R.a),R2 -100 мм; толщина (3 10 мм, показатель преломпения ,5163) на длине волныА 0,55 мкм погрешность полученного значения б 0,91 составила 1%. Измерения аналогичной линзы по известному устройству позволяют обеспечить точность только 3,3%. С ростом показателя преломления (например в германиевых линзах), относительная точность устройства по прежнему составляет Аг1%, в то время как погрешность при измерениях в известном устройстве достигает 43%.

Использование предлагаемого устройства для контроля характеристик оптических элементов и систем при их изготовлении, сборке и регулировке в процессе производства оптико-электронных приборов способствует повьппению точностных характеристик этих приборов.

Благодаря автоматизации и увеличению производительности измерения,описанное устройство позволяет обеспечить осуществление непрерывного контроля параметров оптических элементов и систем на всех этапах технологического процесса производства.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ по .авт. св. № 744240, отличающеес я тем, что, с целью повьйиения точности измерений за счет исключения искажений, вносимых излучением, отраженным от преломлякяцих поверхностей исследуемых систем и элементов, посредством частотной селекции полезного сигнала и за счет повьшения отношения сигнал-шум посредством уменьшения эффективной шумовой полосы фотоприемника, в него дополнитель.но введены первая поглощающая заслонка, связанная с автоколлимационным зеркалом, и вторая поглощающая заслонка, привод поочередного ввода-вывода в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, а также второй поглощающей заслонки с фиксированной частотой, узкополосный электрический фильтр, частота пропускания которого равна указанной фиксированной частоте, измеритель сигналов переменного тока и программный блок, причем вторая поглощающая заслонка установлена между автоколлимационным зеркалом со связанной с ним первой поглощающей заслонкой и плоским зеркалом, между фотоприемным устройством и цифi ровым вычислителем последовательно включены узкополосный злектрический фильтр и измеритель сигналов переменного тока, при этом выход датчика положения барабана длин волн монохроматора подключен к входу программного блока, первый выход которого соединен с приводом ввода-вывода, а второй выход подключен к входу цифN5 N5 X) рового вычислителя. О 30