Теневой прибор Советский патент 1985 года по МПК G02B27/54 

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении при контроле крупногабаритной оптики, а также при изучеНИИ неоднородностей в оптически прозрачных средах.

Известен теневой прибор, содержащий источник свет.а, контролируемый фокусирующий объект и частотный фильтр в виде теневого ножа, установленный в плоскости частотной фильтрации и визуализирукнций фазовые искажения, которые регистрируются фотоприемником Л

Однако это устройство может измерять волновые фронты только сферической формы и небольшие отклонения от сферичности (локальные дефекты). Им нельзя измерить волновые фронты, получаемые, например, при контроле параболических, гиперболических и эллиптических вогнутых зеркал.

Наиболее близким к предлагаемому является теневой прибор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, фокусирующий объект, частотный фильтр, выполненный в виде теневого или фазового ножа и установленный в частотной плоскости фокусирукяцего объекта объектив Фурье, в фокальной плоскости которого установлен сканирующий фотоприемник с блоком обработки измеряемого сигнала, и подключенный к этому блоку визуализатор измеряемых искажений, выполненный в виде телевизионного дисплея или осциллографа 21 .

Блок обработки измеряемого сигнал в этомприборе включают блок формирования импульса в виде отрицательной ступеньки, блок сложения сформированного импульса с измеряемым сигналом Микшер и блок интегрирования. Проинтегрированный сигнал с известной точностью является измеренной волновой аберрацией объекта контроля. При этом в особенностях конструкции формирователя Импульс-ступеньки и узла, в котором происходит сложение его с измеряемым сигналом Микшере, заключена возможность регулирования фомы результирующего после сложения сигнала. Так, задавая форму сигнала Ступеньки или регулируя его форму, модно добиться, чтобы сигнал от асферического волнового фронта компенсировался электрическим путем до вида,

соответствующего сферическому волновому фронту. Поскольку величину амплитуды сигнала Ступеньки легко изм рить, то прибор после такого усовершенствования способен измерять и асферические волновые фронты, что сраз расширяет диапазон его использования

Однако конструкция этого прибора позволяет скомпенсировать только одномерный сигнал (т.е. в одном сечениискане). При измерении двумерной теневой картины в процессе подбора электрической компенсации одновременного для всех сечений-сканов картины существенно снижается точность измерений, а сам подбор является весьма сложной процедурой. Это обусловлено тем, что компенсация аналоговым путем (электрическим сигналом) имеет ограничения по точности из-за ухудшения отношениям сигнал/шум для результирукщего сигнала. Кроме того, следует отметить сложность калибровки сигнала аналоговой компенсации и трудности непосредственной оценки результата компенсации по виду теневой картины, вызванные тем, что на теневой картине такая компенсация не отражается, а производится только над сигналом строки-скана, выделенно из нее. Трудно также совместить временную координату сигнала компенсации на развертке электрического профиля сигнала с пространственной координатой на теневой картине и на объекте измерения (особенно в случае двумерной теневой картины). Таким образом, указанные недостатки снижают точность измерений и усложняют процедуру контроля.

Цель изобретения - повышение точности, упрощение измерения, а также расширение диапазона измеряемы аберраций асферического волнового

фронта. I

Поставленная цель достигается

тем, что в теневой прибор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, фокусируюш;ий объект, частотный фильтр, выполненный в виде теневого или фазового ножа и установленный в частотной плоскости фокусирующего объекта, объектив Фурье, в фокальной плоскости которого установлен сканирующий фотоприемник с блоком обработки измеряемого сигнала, и подключенный к этому блоку визуали- 1затор измеряемых искггжений, выполненный, в В1аде телевизионного дисплея или осциллографа, введены установленные последовательно между частотным фильтром и объективом Фурье коллимирующий объектив и фотомет рический компенсатор теневого изобра жения, включающий по крайней мере один светопоглощающий элемент, закон изменения по площади коэффициента поглощения которого совпадает с законом изменения освещенности в теневой картине от фокусирующего объекта с идеальной формой. При этом в фотометрический компен сатор введен регулируемый по полю излучения источник света, ось которого совмещена с- оптической осью при бора через светоделитель, установлен ный за светопоглощающим элементом. На фиг.1 представлена принципиаль ная оптико-электронная схема прибора на фиг.2 - положение частотной плоскости сферы и параболы относительно теневого ножа; на фиг.З - теневая картина асферического волнового фрон та J на фиг.4 - фотометрическое сечение теневой картины асферического волнового фронта (I - освещенность) или, что одно и то же, график поглощения Д в светопоглощающем элементе фбтокомпенсатора; на фиг.5 - распределение освещенности после прохождения светопоглощанщего элемента , на. фиг.6 - распределение интенсивности на регулируемом по полю источникеJ на фиг.7 - результирующая освещеннос после фотометрической компенсацииJ на фиг.8 - профиль волновых аберраци h после интегрирования вдоль одного из сечений теневой картины. Теневой прибор включает последовательно расположенные на его оптической оси источник света 1, контролиру,емьй фокусирующий объект 2, частотный фильтр 3, коллимирующий объектив 4, фотометрический компенсатор (на фиг. вьщелен пунктирной линией), состоящий из элементов 5, 6 и 7, объектив Фурьв и сканирукнций фотоприемник 9, подключенный к блоку электронной обработки сигнала 10, выходы которого соединены с входами визуализирукщих устройствмонитора 11 и осциллографа 12. При этом излучение регулируемого по полю источника света 6 совмещено с главной оптической осью прибора через светоделитель 7, установленный за светопоД4глощаюшим кпмгюнснтом 5 фотометрического компенсатора. В качестве элемента 5, уменьшающего дсвещенность, может быть использована Фотографическая пластина с негативным изображением идеальной теневой картины. В свою очередь идеальная теневая картина может быть получена либо расчетным путем и генерацией ее на экране дисплея ЭВМ с последуюпщм фо тографированием, либо путем фотографирования теневой картины от идеального асферического элемента. Кроме того, в качестве элемента 5 фотокомпенсатора можно использовать фотохромный слой, нанесенный на прозрачную подложку, который темнеет под действием па,г1;ающего на него света. В качестве узла 6 фотометрического компенсатора, увеличивающего освещенность в нужных местах поля, может быть взят, например, дополнительный источник-матрица светодиодов с экраном в виде матовой пластины для выравнивания освещенности от дискретных элементов. Прибор работает следугацим образом. Источник света 1 формирует опорную волну сферической формы, которая просвечивает объект контроля 2 (например, объектив или асферический оптический элемент) или отражается им. После взаимодействия с объектом контроля 2 освещающий пучок света приобретает асферическую форму и направляется по оптической оси устройства. В частотной плоскости контролируемого объекта устанавливается частотный фильтр 3, выполненный, например, в виде теневого или фазового ножа. При этом после фильтра образуется переменная по полю интенсивность - теневая картина, несущая информацию об отклонениях волнового фронта от сферического. Это отклонение складывается из двух компонент - из общей ошибки, связанной с отступлениями идеального асферического волнового фронта от идеального сферического, и из локальных флуктуации интенсивности, связанных с отступлениями контролируемого объекта от идеального. За плоскостью час- тотной фильтрации устанавливается коллимирующий объектив.4. При этом после объектива 4 образуется параллельный пучок лучей с переменной по полю интенсивностью, которая и несет информацию об измеряемом объ. екте.Вэтом пучке устанавливается фотометрический компенсатор. ,Он представляет собой набор оптических элементов, ко торые позволяют управлять интенсивностью светового луча за объективом 4. Так, например, для фотометрического устранения распределения освещенности, соответствующей асферичности волнового фронта, нужно скомпенсировать освещенность в пучке до нейтрально серой, соответствующей идеальному сферическому фронту. Для этого светлые участки нужно затемнить темные участки поля осветить. Б предлагаемой конструкции теневого прибора для большей простоты создания нужного закона распределения освещенности используется фотометрический компенсатор, вьтолненный из двух компенсационных фотометрических элементов. Первый элемент 5 уменьшает освещенность в пучке, а второй элемент 6 увеличивает ее.

Необходимость во втором элементе диктуется тем, что как фотопластинка, так и фотохромные материалы обладают некоторым коэффициентом нелинейности, в результате чего одним компонентом 5 фотометрического компенсатора, работающим на поглощение, трудно добиться необходимого распределения освещенности, соответствующей идеальному объекту. Поэтому введение в схему устройства источника 6, дакщего добавочную регулируемую освещенность, позволяет проводить коррекцию распределения освещенности после поглощения на элементе 5 так, что после светоделителя 7 достигаетс эффект компенсации асферичности фотометрическим путем, а оставшиеся флуктуации освещенности теневой картины обусловлены только местными ошибками измеряемого объекта. Кроме того, введение в устройство дополнительного источника света позволяет измерять объекты с большей асферичностью, так как в этом случае возможна компенсация теневой картины, осве щенность которой будет иметь большую модуляцию. Описанные действия компенсаторов показаны на фиг.2-7.

Полученное результирующее распреде ление (фиг.7) измеряется следукщим образом. Объектив Фурье 8 строит изоражение теневой картины на фотоприемнике 9. Сигнал с фотоприемника 9 поступает в блок обработки 10, ас него, на экран осциллографа 12 или на. экран визуализирующего теневую картину дисплея 11. При этом в качестве фотоприемника используется сканирующий фотоприемник, например передающая трубка -(видикон) промышленной телевизионной установки (например, ПТУ-43, ПТУ-45).

Блок обработки сигнала 10 работае следующим образом. По желанию оператора узлом вьщеления строки (такой узел предусмотрен любым телевизионньм осциллографом) выделяется нужное сечение теневой картины,.например диаметральное . Сигнал вьщеленной строки складывается электрически с сигналом типа Ступеньки, который генерируетс в блоке 10. После сложения сигналов результирующий сигнал интегрируется в этом блоке цепью типа Интегрирующая цепочка, в простейшем своей реализации представлянмцей четырехполюсник с сопротивлением и емкостью. Изменяя параметры сопротивления или емкости, можно изменять постоянную интегрирования. Блок обработки видеосигналов может быть выполнен стандартными радиотехническими средствами. В нем предусмотрено, чтобы выделенная строка высвечивалась на мониторе 11 яркой линией для удобства визуального контроля места расположения сечения. Для автоматизации получения результата теневой картины в блок обработки сигнала вводится узел,обеспечивающий последовательное считывание с нужным шагом строк, кадра и их последовательную обработку аналогично описанному. Процесс измерения объекта предваряется тем, что проводится калибровка полученной компенсирующей освещенности. Для этого, используя регулируемое усиление сигнала с фотоприемника, измеряют распределение освещенности, создаваемое в тракте прибора самим устройством. Такое измерение и калибровку фотоприемной части можно провести тем же устройством при использовании имеющейся регулировки чувствительности и коэффициента усиления, например,переходя на другое (меньшее) усиление после телевизионного тракта как в ПТУ, так и в осциллографе 12. Для создания светового пучка берут точечHbrfi источник света с равномерт11м распределением освещенности и помещают его в частотной плоскости, выводя частотный фильтр из его рабочего положения в сторону. Тогда равномерная освещенность получается в плоскости перед элементом 5, а в плоскости фотоприемника 9 получается, освещенность, по которой можно измерить качество фотометрической компенсации и при необходимости подкорректировать ее. После окончания процесса настройки фотокомпенсатора переходят к прежним диапазонам чувствительности фотоприемника и коэффициента усиления рабочего сигнала и ведут контроль изделия.

Предложенная конструкция теневого прибора дает возможность быстро настраивать прибор на новое контролируемое изделие с асферической формой, что позволяет в свою очередь измерят

асферические оптические элементы без трудоемких процедур изготовления и аттестации стеклянных компонент, а значит использовать прибор в технологическом контроле. При этом нужно расширить диапазон применения имеющихся в оптическом приборостроении теневых приборов без существенной их переделки. Прибор обладает количественной визуализацией измеряемых аберраций и возможностью автоматизации процесса, поэтому особенно перспективен для оперативного технологического контроля оптики в процессе

ее изготовления.

Таким образом, теневой прибор рассмотренной конструкции характеризуется по.сравнению с известными устройствами большей точностью измерений аберраций асферического волнового фронта и их меньшей трудоемкостью.

1. ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник сврта, фокусируннций объект, частотный фильтр, вьтолненный в виде теневого или фазового ножа и установленный в частотной плоскости фокусирующего объекта, объектив Фурье, в фокальной, плоскости которого установлен сканирующий фртоприемник с блоком обработки измеряемого сигнала, и подключенный к этому блоку визуализатор измеряемых искажений, выполненный в виде телевизионного дисплея или осциллографа, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и упрощения измерения аберраций асферического волнового фронта, в него введены установленные последовательно между частотным фильтром и объективом Фурье коллимирующий объектив и фотометрический компенсатор теневого изображения, включающий по крайней мере один светопоглощающий элемент, закон изменения по площади коэффициента поглощения которого $ совпадает с законом изменения освещенности в теневой картине от фокусирующего объекта с идеальной формой. 2. Прибор ПОП.1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых аберраций асферического волнового фронта, в фотометрический компенсатор введен регулируемый по полю излучения источСО 00 ник света, ось которого совмещена с оптической осью прибора через светоч делитель, установленный за светопо и глощающим элементом.

Фиг,3

I I yvuc.ii/I

l-JITlk

дзиг. f ,и 1Т1Т1 ттт1тгГПТП

(риг.5

Iv/tf«. /

l11Ilb «rrflTlK

t

ГПЪгггтЖТШЬт

(JtJut.S

TTTTTiTI

1риг. 7

«о//г.