Способ контроля качества оптических систем Советский патент 1986 года по МПК G01M11/00 G01B11/24 G02B27/46 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при технологическом и аттестационн.ом контроле оптических элементов и систем.

Цель изобретения - упрощение контроля и повьшение его производительности за счет возможности измерения распределения интенсивности в частотной плоскости,

На фиг.1 представлена схема устойства, реализующего способ; на иг.2 - расположение ртверстия на гчастке зкрана; на фиг.З - пример асположения фотоприемников; на иг.4 - распределение интенсивности частотном спектре в меридиональном ечении (пунктирная прямая показывает аспределение интенсивности, усредненное по времени).

Устройство {фиг.1) содержит лазер 1, оптическую систему 2, формирующую расходящийся пучок излучения, экран 3 с хаотически расположенными на нем отверстиями 4 (фиг.2), масштабирующую оптическую систему 5, фотоприемники 6, установленные попарно симметрично относительно оптической оси устройства (фиг.З), блоки 7 сравнения сигналов на выходах фотоприемников и блок 8 вычисления дисперсии волнового- фронта. На схеме устройства представлены также контролируемая оптическая система 9, частотная плоскость 10, соответствующая расположению экрана 3, и плоскость 11 анализа. Экран 3 может располагаться как за контролируемой системой, так и перед ней. Чувствительные площадки фотоприемников могут быть расположены непосредственно в частотной плоскости 10. В этом случае система 5 в схеме отсутствует.

Способ осуществляется следующим образом.

Волновой фронт излучения лазера

1превращается оптической системой

2в расходящийся волновой фронт сферической формы, который направляется на контролируемую оптическую систему 9. Последняя в частном случае может состоять из одного оптического элемента, при измерениях производят перемещение экрана 3 путем вращения его в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства, или поступательного перемещения в той же плоскости. Фотоприемники 6 реги

.

230332

стрирУют временные флуктуации интенсивности в выбранных точках частотного спектра. Размер фотоприемника выбирается в зависимости от увеличения

5 системы 5 таким образом, чтобы он был меньше радиуса автокорреляции в частотном спектре. Значения интен- сивностей, зарегистрированных в различные -моменты времени, сравниваются

10 в блоках 7, и затем по ним вычисляется дисперсия волнового фронта в блоке 8. Усреднение по пространству в частотной плоскости производится в случае использования нескольких пар

15 приемников и в случае перемещения одной пары фотоприемников с сохранением симметрии их расположения в плоскости анализа. Такое перемещение фотоприемников может быть реализовано, напри20 мер, последовательным опросом элементов матрицы ПЗС. В качестве блока 7 сравнения и блока 8 вычисления дисперсии можно использовать процессор, собранный на интегральных схе25 мах. Время получения результата ограничивается в этом случае скоростью оцифровки сигнала и быстродействием блоков 7 и 8.

В частотной плоскости получается

30 двухмерное распределение интенсивности (фиг. 4), представляющее собой I в фиксированный момент времени набор ярких пятен с темными промежутками

между ними, которые заполняют область, ограниченную первым и последующими дифракционными минимумами. Интенсивность кольца, соответствующего второму дифракционному максимуму, слаба, поэтому для получения большей точности измерения целесообразно проводить в пределах первого максимума, т.е. внутри площадки радиуса

1.22Л,К„т-.

где Д - длина волны излученияj

R - радиус волновой поверхности, диаметр отверстия в экране.

d,50

55

Способ основан на свойстве симметрии распределения интенсивности в

частотном спектре при разбиении по случайному закону волнового фронта на зоны. Симметрия сохраняется, если объект контроля идеальный, и нарушается при наличии фазовых искажений в объекте контроля.

Если статистика поля в плоскости

.10 гауссова, то степень нарушения

s

симметрии распределения интенсивЯос- ти в спектре оценивается отношением корреляционной функции КI к дисперсии интенсивностиD1

KI

|.

:DI 1 J (1)

где 6 - дисперсия волнового фронта. Корреляционная функция определяется вьфажением 1

(u,t)I(-A,(u,t)l(-5.i), (.2)

-

где I (ЛД) - интенсивность в точке с удалением от оптической оси в момент времени;

l(ui) интенсивность в точке с удалением в тот же момент времени.

Угловые скобки означают операцию усреднения по времени и по парам измеряемых точек.

Величина дисперсии флуктуации интенсивности по времени и по координате в частотной плоскости определяется через измерение значения интенсивности

(д t) I(5,t)(A,t)l(A.t).

л., t

Дисперсия волнового фронта 6 определяется из вьфажения (1)

.

(4)

Для определения В измеряют одновременно интенсивность в каждой из пары точек, симметричных относительно оптической оси, вычисляют величины К1 и DT, усредняя флуктуации интенсивности по ансамблю реализаций по времени и по парам точек, и определяют 6 по формуле (А).

Способ позволяет определить дисперсию волнового фронта, не измеряя волновой фронт в отдельных его точках. Это открывает возможность использования малогабаритной аппаратуры, устанавливаемой вблизи источника излучения и представляющей собой экран с отверстиями и фотоприем

2230334

НИКИ. Схема реализации способа не требует применения высокоточных элементов, такимх, например, как диафрагма Гартмана. Кроме того, измерение с интенсивности - операция, легко поддающаяся автоматизации, поэтому способ может быть реализован для оперативной оценки качества оптических элементов при их доводке и систем при юстировке. Использование соотношений, связывающих ширину частотного спектра внутри первого дифракционного минимума с радиусом волнового фронта, позволяет в рамках предлагаемого споJ5 соба автоматизировать процедуру фокусировки оптики или измерения радиуса кривизны волнового фронта для систем с различными фокусными расстояниями в том числе и длиннофокусных.

20

Формула изобретения

Способ контроля качества оптических систем, заключающийся в том, что

25 формируют опорный пучок когерентного

излучения с волновым фронтом заданной формы, направляют опорный пучок на контролируемую систему соосно ей, выделяют в волновом фронте в плос- ,. кости, перпендикулярной оси пучка, ряд зон с одинаковой формой и размерами, фокусир тот пучок, прошедший контролируемую систему, на оптической оси системы и определяют качество оптической системы, отличающийся тем, что, с целью упрощения контроля и повышения его производительности, положение вьщеляемых зон задают по случайному закону и изменяют во времени, измеряют интенсивность электромагнитного поля одновременно не менее чем в одной паре точек, симметричных относительно оптической оси контролируемой системы в частотной плоскости, соответствующей

35

40

45

плоскости вьщеления зон в волновом

фронте, а качество оптической системы определяют по временным и пространственным флуктуациям измеренных интенсивностей в парных точках, сим- метричных относительно оптической оси системы.

fPU9. 1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля оптических элементов и сис«Cfro.o., 1, / --- -И .о,,Г .aj тем. Цель изобретения - упрощение контроля и повышение его производи-- тельности. Исследуемая оптическая система освещается расходящимся пучком,- в котором с помощью экрана с хаотично расположенными на нем отверстиями вьщеляется ряд зон. Несколькими фотоприемниками, расположенными в частотной плоскости попарно симметрично относительно оси системы, регистрируют флуктуации интенсивности в различных точках плоскости анализа при смещениях экрана. Усредняя флуктуации интенсивности по ансамблю реализаций по времени и по симметричным парам точек, определяют дисперсию волнового фронта на выходе системы, характеризующую качество системы. Способ позволяет упростить процедуру контроля благодаря исключению из схемы высокоточных элементов. Возможность автоматизации способа приводит к повышению производительности контроля. 4 ил. tC to 00 о со со

Фиг.

фиг.З