Устройство для измерения оптической передаточной функции Советский патент 1979 года по МПК G01M11/00 

1

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля качества оптических систем, волновые аберрац которых не превышают длины световых волн более,чем в 2-3 раза,например, микроскопов.

Известны устройства, содержащие испытуемую оптическую систему и два объекта, расположенные в сопряженных плоскостях, за одним из которых расположена фотоэлектрическая измерительная система. Один из объектов обладает малыми размерами в одном измерении, а другой объект обычно обладает периодическим пропусканием, т.е. представляет собой решетку. При работе устройства производится сканирование одним из объектов изображения другого в поперечном к решетке направлении, в результате чего фотоэлектрическая система вырабатывает периодический сигнал, из которого электрическими узкополосными фильтрами выделяется гармоническая составляющая определенной частоты, измеряется амплитуда этой составляющей и измеренное значение отождествляется со значением модуля оптической передаточной

функции при определенном значении пространственной частоты. Для измерения модуля оптической передаточной функции при другом значении необходимо предварительно произвести перенастройку устройства 1.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является-, устройство, содержащее узкий объект,

0 освещенный монохроматическим светом, испытуемую оптическую систему, поверхность, чувствительную к световому потоку, например фотокатод диссектора, установленную в плоскос5ти, сопряженной с плоскостью объекта, которая электронными пучками проектируется в плоскость пластинки со щелью,, вьщеляющейся из электронного изображения узкую полоску, параллель0ную изображению.

Поток электронов, пролетевших через щель, создает ток, который усиливается и воздействует на измерительную схему. Сканирование изсбражения,

5 получаемого с помощью испытуемой оптической системы, осуществляется разверткой электронных пучков в поперечнсм к изображению направлении. К полученному при сканировании сиг0налу применяется преобразование Фурье, осуществляемое элект.)имески и результат воспроизводится на экр не осциллографа 2. Недостатком оптическог-о устройс является его невысокая точность, т как изображатацие свойства электрон пучков плохо поддаются оценке, и низкое быстродействие, обусловленн сложностью схемы обработки сигнало поэтому частота развертки луча на экране осциллографа не превышает 10 Гц, что воспринимается наблюдат лем как мигание, а не как ровное с чение, и приводит к его быстрому утомлению. Целью предлагаемого изобретения является повьоиение точности и быст действия устройства. Эта цель достигается тем, что в плоскости, сопряженной с плоскостью тест-объекта, неподвижно относител но изображения тест-объекта устано лен непрозрачный экран со щелями, параллельньл.1и изображению и расположенными друг от друга на расстоя равном где f - расстояние межлу соседними щелями ; Л - длина волны монохроматического света; cL- апертурный угол пучка лучей сходящегося на экране, за которым расположена оптико-электрическая система обработки сигналов, осущест вляющая гармонический синтез оптической передаточной функции в виде набора произведений значений функции распределения освещенности в точках, соответствующих щелям экрана, на гармоническую функцию, Распределение освещенности в изображении тест-объекта описывает ся функцией рассеяния линии, являющейся обратным преобразованием Фурь от оптической передаточной Функции В силу того, что оптическая передаточная функция тождественно равна нулю вне определенного конечного промежутка, значения функции рассеяния линии в точках, относящих друг от друга на расстоянии 1, определяе мой формулой (1), являются коэффициентами ряда Фурье от оптической передаточной функции. Таким образом световые потоки, прешедшие через отдельные щели экрана, пропорциональны коэффициентам ряда Фурье от оптической передаточной функции. Оптико-электрическая систама обработки сигналов реализует частную сумму ряда Фурье, суммируя произведения коэффициентов ряда на гармони ческие функции синусоидального или косинусоидального вида. Умножение коэффициентов ряда Фурье на гармонические функции дост гается за счет того, что за или перед экраном в неп(х:редственной близости от него установлен оптический элемент с пропусканием, меняющимся вдоль щелей экрана по гармоническим законам с частотами, составляющими арифметическую прогрессию. Кроме того, оптико-электрическая система обработки сигналов содержит модулятор, установленный перед об1цим фотоприемником с возможностью вращения, ГУ: ь вращения которого перпендикулярна направлению щелей экрана и расположена на расстоянии не меньше, чем 3t от ближайшей щели. Мсшулятор имеет ряд радиальных щелей, расположенных под равным углом друг к другу. При вращении модулятора проекция одной из его щелей на плоскость непрозрачного экрана проходит сразу вдоль всех щелей экрана. Таким образом, суммарный световой поток, прошедший через все щели непрозрачного экрана, через одну щель модулятора и через оптический элемент, пропорционален значению частной cyNBHH ряда Фурье от оптической передаточной функции, поэтому ей же пропорционален и сигнал фотоэлектрического приемника. Расчеты показывают, что расположение оси вращения на расстоянии не меньшем, чем 3f от ближайшей щели, является необходим1 условием для достижения приемлемой точности измерений. Вместо модулятора с фотоэлектрическим приемником устройство может содержать диссектор со щелью, перпендикулярной щелям экрана. В этом варианте вдоль щелей экрана перемещается не щель модулятора, а электронное изображение щели диссектора, причем перемещение управляется электрически . Вместо оптического элемента с гармоническим пропусканием и сканирующего фотоприемного устройства оптико-электрическая система обработки сигналов может содержать зеркальный цилиндр, установленный за непрозрачным экраном парзшлельно его щелям, и совокупность фотоэлектрических приемников, выходы которых соединены с аналоговыми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу, Зеркальный цилиндр направляет свет от каждой отдельной щели на один из фотоприемников, который вырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный соответствующему коэффициенту ряда Фурье от оптической передаточной функции. Этот сигнал, поданный на первый вход аналогового умножителя, умножает.ся на синусоидальный сигнал, амплитуда которого одна и та же для всех аналоговых умножителей, а частота зависит от умножителя, но кратна частоте развертки луча в осциллографе, поданной .

на лру1оП вход аналогового умножител а сумматор суммирует промодулнрованные сигналы. При модуляции постоянных сигналов синусоидальными сигналами реализуется мнимая часть оптической передаточной функции, а при модуляции косичусоидальными сигналами реализуется ее реальная часть. Модулирующие сигналы можно получить из генератора развертки осциллографа с помощью узкополосных электрических фильтров, Фазосдвигаюишх элементов и усилителей.

На фиг.1 изображено устройство для измерения оптической передаточной функции с, оптическим элементом переменного пропускания и модулятором; на фиг,2 показано взаимное расположение непрозрачного экрана со щелями, оптического элемента и модулятора; на фиг.З - графики пропускания оптического элемента при измерении мнимой части оптической передаточной функции; на фиг.4 устройство для измерения оптической передаточной функции с оптическим элементом переменного пропускания и диссектором; на фиг. 5 устройство для измерения оптической передаточной функции с несколькими фотоэлектрическими приемниками, аналоговыми умножителями и сумматором.

Устройство с оптическим элементо переменного пропускания и модулятором содержит монохроматический источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде линии, испытуемую оптическую систему 4, неподвижный относительно изображения тест-объект экран 5 со щелями 6, расположенными параллельно изображению, оптический элемент 7 с меняющимся вдоль щелей по гармоническ законам пропусканием, модулятор 8 с щелями 9, собирающую линзу 10, фотоэлектрический приемник 11 и осциллограф 1 2 .

Источник 1 света с помощью осветительной системы 2 освещает объект 3, который изображается испытуемой оптической системой 4 в плоскость нпрозрачного экрана 5, Вследствие дифракции и аберрации изображение перкрывает все щели 6. Свет, прошедший через щели 6, проходит далее через оптический элемент 7, модулирующий яркость в продольном к щелям направлении. За оптическим элементом 7 расположен модулятор 8 в виде диска с прорезями 9, проекции которых на плоскость непрозрачного экрана 5 пересекают сразу все щели 6. При этом световой поток, прошедший через систему: щели экрана-оптический элемент-щель модулятора, оказывается промодулированным по времени по гармоническому закону, а полный световой поток, прошедгиий через все щели экрана, меняется во времени спо закону, пропорциональному частно

сумме ряда Фурье от оптической передаточной функции.

Этот световой поток направляется на фотоэлектрический приемник 11, соединенный с осциллографом 12, на экране которого воспроизводится осциллограмма частной, суммы ряда Фурье. На фиг.З представлены графики пропускания оптического элемента 7 в случае, когда число щелей равно семи и измеряется мнимая часть оптической передаточной функиии. Функции пропускания щелей могут быть выражены уравнениями:

.i-d + sin)

(2)(кривая13),

l + Sin)

(3)(кривая1 4 ),

Т RX

(4){кривая15),

У j(l + sin

(5)(кривая16)/

У- о

y(l-sin

(6) (кривая

17), 18). ( 7) (крива я

(l-sin

37ГХ Т (l-sin (8) (кривая 1У) ,

где X - текущая координата вдоль щели ;

Т - длина щели;

У - пропускание светового потсзка ; iT - число, примерно равнс е 3,141L,92C5358979323846264.

Для измерёния реальной части оптической передаточной функиии пропусклни я вдоль щелей должны меняться по к синусо 1да.пьным законам.Вариант устройства с диссектором (фиг.4) содержит монохроматический источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде линии, испытуемую оптическую систему 4, непрозрачный экран 5 со щелями 6, оптический элемент 7 с меняющимся вдоль щелей по гармоническим законам пропусканием, диссектор 20, имеющий устройство развертки изображения 21 и диафрагму 22 в виде щели, расположенную в плоскости электронного изображения, генератора напряжения развертки 23 и осциллограф 12 .

Диафрагма 22 расположена перпендикулярно щелям 6, а устройство развертки 21 осуществляет сканирование диафрагмой 22 электронного изображения, соответствующего оптическому

изображению после экрана 5 и оптического элемента 7, в направлении вдоль щелей 6. На выходе диссектора 20 образуется сигнал, пропорциональный реальной или мнимой части, оптической передаточной фучкции, к;.-торый подается на вход ocii;rnjioipaфа 12. Развертка луча в осциллографе 12 и развертка электронного изо-ражения в диссекторе синхронизированы благодаря питанию от одного генератора 23. Вариант устройстпа с несколькими фотоэлектрическими прие мниками, ана логовыми умножителями и суг.1матором (фи1.5) содержит монохроматическия источник 1 света, осветительную систему 2, тест-обьект 3 в виде линии, испытуемую оптическую систему 4, непрозрачный экран 5 со щелями 6, зеркальный цилиндр 24, ряд фотоэлектрических приемников 11, ряд электрических уэкополосных фильтров 25, ряд фаэосдвигающих элементов 26 ряд усилителей 27, ряд аналоговых умножителей 28, сумматор 29, генера тор 30 пилообразного напряжения и осциллограф 12. Зеркальный цилиндр 24 направляет свет от каждой из щелей 6 на один из фс гоэлектрических приемников 11, выходы которых соединены с первыми входами аналоговых умножителей 28, на вторые входы которыЕх подаются синусоидальные или косинусоидальные напряжения одинаковой амплитуды, получающиеся из генератора 30 пилообразного напряжения с помощью узко полосных фильтров 25, фазосдвигающих элементов 26 и усилителей 27. Узкополосные фильтры 25 настроены на частоты, кратные частоте развертки луча в осциллографе 12. Усилители 27 выравнивают амплиту ды выделенных гармонических составл ющих пилообразного сигнала, аналого вые умножители 28 осуществляют моду ляцию постоянных сигналов от фотоэлектрических приемников 11; промодулированные сигналы суммируют сумматорам 29, и суммарный сигнал подается на вход осциллографа 12. Устройство обеспечивает высокую точность и скорость измерений, в силу чего оно может с успехом приме няться для юстировки и контроля оптических систем, в частности микроскопов и микрообъектов, непосредственно в цеховых условиях, причем оно позволяет оценивать не только симметричные, аберрации, но также хроматизм увеличения и другие. Формула изобретения 1. Устройство для измерения оптической передаточной функции, содержащее тест-объект в виде линии, освещаемой через оптическую систему монохроматическим светом, испытуему оптическую систему, фотоэлектрическую приемную систему и осциллограф, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстро действия, в плоскости, сопряженной с пло.:к остью тест-объекта, неподвижно относительно изображения тестобъекта установлен непрозрачный экран со щелями, параллельными изображению и расположенными друг от друга на расстоянии, равном 4 в 1 п oL где F - расстояние Между соседними щелями ; А- длина волны монохроматического света; сС- апертурный угол пучка лучей, сходящегося на экране,за которым расположена оптико-злектрическая система обработки сигналов, осуществляющая гармонический синтез оптической передаточной функции в виде суммы набора произведений значений функции распределения освещенности в точках, соответствующих щелям экрана, на гармоническую функцию. 2.Устройство по П.1, отличающееся тем, что за или перед экраном установлен оптический элемент с пропусканием, меняющимся вдоль щелей экрана по гармоническим законам с частотами, составляющими арифметическую прогрессию. 3.Устройство по пп. 1,2, о т личающееся тем, что оптико-электрическая система обработки сигналов содержит мацулятор, установленной перец общим фотоэлектрическим приемником с возможностью вращения, ось которого перпендикулярна направлению щелей экрана и расположена на расстоянии не меньшем, чем 3 от ближайшей щели. 4.Устройство по пп.1,2, о т.пичающеес я тем, что оптико-электрическая система обработки сигналов содержит диссектор со щелью, перпендикулярной щелям экрана . 5.Устройство по П.1, отличающееся тем, что оптикоэлектрическая система обработки сигналов выполнена в виде зеркального цилиндра, направляющего свет от каждой щели экрана на один из фотоэлектрических приемников, выходы которых соединены с аналоговьлми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Великобритании 970369, кл, Q 1 А,опублик. 1964. 2.Патент Франции ( 2151262, кл. G 01 М 11/00,опублик.1973 (прототип

П

Фиг1

Риг.2

НоорВината доль щелей 1f Фиг Фиг

lit

79

фиг. 5