Теневой прибор Советский патент 1985 года по МПК G02B27/54 

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано как в технологическом контроле деталей в оптическом приборостроении, так и для исследо- 5 вания неоднородностей в прозрачных оптических средах.

Известен теневой прибор, содержащий щелевой источник света, контролируемый фокусирующий объект и 10 частотный фильтр в виде полубесконечного экрана (теневого ножа), установленный в плоскости частотной фильтра ций и визуализирукщий фазовые искажения lj. ,J 15

При такой конструкции прибора неоднородность фазы волнового фронта объекта контроля вызывает флуктуации интенсивности в теневой картине, которые регистрируются фотоприемником. 20 При этом максимальная чувствительность к величине поперечной аберрации достигается в направлании, перпендикулярном кромке частотного фильтра теневого ножа. В направлении, парал- 25 лельном кромке теневого ножа, чувствительность прибора к измерению аберраций равна нулю. Это пргшрдит к тому, что при рассмотренной конструкции можно измерять только одну проекцию Q поперечной аберрации, а именно проекцию на ось, перпендикулярную кромке, теневого ножа. Вторая, ортогональная составляющая поперечной аберрации при этом совершенно недоступна измерениям.

Основной недостаток такого теневого прибора состоит в том, что он при сравнительно высоком уровне контраста теневой картины позволяет измерять только одну компоненту поперечной 40 аберрации волнового фронта. Для измерения второй компоненты, ортогональной первой, разворачивают одновременно на 90 щелевой источник и нож, а зачастую и сам фотоприемник регистра-45 тор теневой картины. Измерения повторяют. При этом необходимо исключить возможность смещения плоскости теневого ножа при его развороте, особенно в продольном (вдоль оптической оси) 50 направлении. Такие смещения при высокой точности (порядка 0,06 мкм) не должны превышать этой величины. На практике такие смещения всегда присутствуют, поэтому ортогональные компо- 55 ненты оказываются измеренными в разных координатных системах и оказьшаются несвязанными друг с другом.Дпя их

взаимной увязки приходится проводить серию измерений при разных положениях ножа и статистически обрабатывать результаты, что снижает точность двумерных измерений и удлиняет процесс контроля.

Наиболее близким к предлагаемому является теневой прибор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, объектив прямого преобразования Фурье, держатель контролируемого объекта., фильтр пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования Фурье и фотоприемник L2j .

В этом устройстве источник света Является точечньм, а частотный фильтр выполнен в виде экранов, заслонякяцих нечетные квадранты частотной плоскости, и установлен в плоскости прост. .ранственной частотной фильтрации так, что указанные экраны соприкасают- ся в начале координат, а четные квадранты частотной плоскости остаются свободными . При такой конструкции теневого прибора становится . возможным измерение не проекций поперечной, аберрации, а полной поперечной аберрации в каждой точке поля по интенсивности теневой картины.

Однако такой выигрыш - возможность измерения значения поперечной аберрации оборачивается потерей контраста ввиду того, что получаемая при помощи двумерного ножа теневая картина складывается из двух частей: картины исходного объекта и гильберт-образа этого объекта. Поэтому в такой картине присутствует сильньш фон подсветки от изображения исходного объекта, что приводит к низкому контрасту. Известно, что в теневых измерениях потеря контраста эквивалентна потере точности и чувствительности к малым искажениям волнового фронта, что и является недостатком прибора. Кроме того, для получения достоверных результатов измерений необходимо их многократное повторение с последующей статистической обработкой, что снижает оперативность контроля поперечных аберраций.

Целью изобретения является повышение точности измерений обеих ортогональных составляющих поперечной аберрации волнового фронта. Поставленная цель достигается тем .что в теневой прибор, содержащий по следовательно расположенные на оптической оси источник света, объектив прямого преобразования Фурье держатель контролируемого o6beKta, фильтр . пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования Фурье и фотоприемник, введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполненного щелевым с возможностью поочередной фиксации щели в двух взаимно ортогональных положениях, а фильтр пространственных частот выполнен в -виде двух наложенных друг на друга линейно поляризукяцих пластин, рабочая кромка одной из которых ориентирована парал лельно первому фиксируемому положению щелевого источника, а рабочая кромка другой - второму положению этого источника, причем эти кромки пересекаются на оптической оси прибора, собственные вектора поляризующих пластин взаимно ортогональны и развернуты под углом 45 к их рабо. чим кромкам, а линейный поляризатор установлен с возможностью вращения и фиксации тех его положений, при которых собственный вектор поляризатор поочередно параллелен собствен- ным векторам каждой из пластин фильт ра пространственных частот, На фиг.1 представлена принципиаль нал оптическая схема прибора (-, координатные оси частотной плоскости на фиг.2 - фильтр пространственных частот, вид спереди,- на фиг.З - то же, вид сбоку, на фиг.Аи 5-фиксированные положения щели и линейного по ляризатора; на фиг.6 и / - соответст I вующая этим положениям ориентация те невого ножа. Теневой прибор содержит последова 1тельно расположенные на оптической о (фиг.1) щелевой источник света 1, ли нейный поляризатор 2, объектив прямо преобразования Фурье 3, держатель контролируемого объекта 4,- фильтр пространственных частот 5, объектив обратного преобразования Фурье 6 и ф топриемник 7 с блоком обработки сигнала. При этом щелевой источник 1 имеет два фиксированных положения: при первом направление оси щели совпадает с направлением вертикальной часто ной оси fU, при втором - с горизонтальной частотной осью f Фильтр пространственных частот 5 (фиг.2 и 3) выполнен из двух линейно поляри- ующих свет пластинок 8 и 9, наложенных друг на друга таким образом, что их рабочие кромки перпендикулярны друг к другу и совпадают с осями координат частотной плоскости, а точка пересечения этих кромок лежит на оптической оси прибора (совмещена с началом координат указанной плоскости). При этом собственные вектора (на фиг.1,2 показаны стрелками) пластинок 8 и 9 взаимно ортогональные и направлены под углом 45 к координат ным осям частотной плоскости. Пластинки 8 и 9, наложенные друг на друга, оставляют один из четырех квадрантов частотной плоскости полностью открьггым, следующий по обходу квадрант, экранируется свободным участком одной пластины 8, третий квадрант экранируется участками обеих наложенных друг на друга пластин и, наконец, последний квадрант экранируется свободным участком второй пласуины 9. Поляризатор 2 имеет фиксированные положения, при которых направления его собственного вектора (на фиг.1,4 и 5 показаны стрелкой) поочередно совпадают с направлением собственных векторов каждой из пластинок 8 и 9 составлякщих фильтр пространственных частот 5. Компоненты фильтра пространственных частот 5 могут быть изготовлены из любого поляризационного материала, дающего линейную поляризацию, напри-мёр из поляроидных пленок. Можно изготовить из одной кристаллической ластинки, например из кристаллического кварца, которая после изготовения разрезается на две части. Посе придания необходимой точности рабочим кромкам известными приемами оптической полировки, а также снятия аски под острым углом, пластинки накладьшаются друг на друга указанным образом. В месте наложения пласин их можно склеить, и собранный ильтр вставить в оправу и размесить в схеме теневого прибора. В каестве поляризатора 2 может быть спользован материал, аналогичный атериалу поляризованных пластинок ильтра 5, или любая поляризационная ризма, дающая линейную поляризацию.

например призма Глана, установленнал во вращающейся оправе. Оправка должна иметь фиксированные положения при своем вращении для того, чтобы совмещать направления собственного вектора поляризатора с.направлением пропускания поляризационных пластин фильтра 5.

Устройство работает следующим образом.

При выбранной ориентации щели 1-, например горизонтальной, направлени собственного вектора поляризатора 2 ориентируют в положение, показанное на фиг.4. Свет от щелевого источника 1, пройдя объектив прямого преобразования Фурье 3 и оптическую неоднородность контролируемого объекта 4, попадает в частотную плоскость, в которой.помещен фильтр пространственных частот 5. При этом (фиг.2) направление собственного вектора поляризатора 2 будет совпадать с направлением собственного ветора вертикальной пластины 8 и ортогонально направлению собственного вектора горизонтальной пластины 9. Это означает, что в верхней полуплоскости фильтр пространственных частот 5 будет прозрачен для света с указанной поляризахдаей, тогда как в Третьем квадранте свет не пройдет поскольку там наложенные друг на друга пластины имеют скрещенные собственные вектора, а в четвертом квадранте частотной плоскости свет не проходит, так как направление вектора его поляризации ортогонально вектору пропускания пластины 9. Таким образом, фильтр примет положение, показанное на фиг.6, т.е. теневой нож будет экралировать всю нижнюю полуплоскость. При изменении напрэвления оси источника света 1 на вертикальное, а поляризатор 2 на ортогональное первому, (фиг.5), ось пропускания пластинки 8 окажется скрещенной с направлением поляризации света и второй квадрант частот-ной плоскости будет непрозрачньм для проходящего света, а четвертый квадг рант станет прозрачным, поскольку ось пропускания и вектор поляризации проходящего света совпадут. Фильтр примет вид, изображенный на фиг.7. В первом случае теневой прибор измеряет вертикальную составлякщую поперечной

аберрации, во втором - горизонтальную. При этом нож в виде предложенного частотного фильтра остается неподвижным. Вращаются только щель и поляризатор, которые не оказывают влияния на

положение ножа. Измерения ортогональных компонент поперечных аберраций ведутся известными способами.

Таким образом, сохранив максимальный контраст теневой картины, можно

измерить две ортогональные компоненты поперечной аберрации. При этом сохранение высокого контраста позволяет достичь хорошей точности измерения отдельных компонентов аберраций, а неизменность положения ножа обеспечивает точное совпадение положения координатных систем для этих компонентов, что, в свою очередь, исключает необходимость их привязки друг к другу дополнительньши измерениями и калибровкой..

Изобретение может быть использовано при построении карты оптических деталей или при исследовании фазовых

искажений в прозрачных средах, например i газодинамике прозрачных струйных течений. При этом предложенная конструкция прибора позволяет без существенной переделки использовать имеющиеся широко распространенные промьшшенные установки теневых измерений типа ИАБ-45, ТЕ-20, Тень-5 и др. Вся переделка указанных приборов сводится к замене ножа на предложенный поляризационньй нож и установке за источником света поляризатора.

Таким образом, рассмотренный теневой прибор позволяет измерять обе ортогональные составлякщие поперечной

абберации с более высокой по сравненшс. с известными конструкциями точностью ,г

tput. 2

(риа.З

(раг, 5

fy

иг.

Фиг. 7

ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий последовательно расположенные на оп тической оси источник света, объектив прямого преобразования Фурье, держатель контролируемого объекта, фильтр пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования Фурь и фотоприемник, отличающий с я тем, что, с целью повьшения то ности измерений обеих ортогональных составляющих поперечной аберрации волнового фронта, в него введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполненного щелевым с возможностью поочередной фиксации щели в двух взаимно ортогональных положениях, а фильтр пространственных частот вьтолнен в виде двух наложенных яруг на цруга ли- нейно поляризующих пластин, рабочая кромка одной из которых ориентирована параллельно первому фиксируемому положению щелевого источника, а рабочая кромка другой - второму положению этого источника, причем зти кромки пересекаются на оптической оси прибора, собственные вектора поляризукщих пластин взаимно ортогональны и развернуты под углом 45 к их рабочим кромкам, а линейный поляризатор установлен с возможностью вращения и фиксации тех его положений, при которых собственный вектор поляризатора поочередно параллелен собственным векторам каждой из пластин фильтра пространственных частот