Теневой прибор

(51 у 4 0 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКОМУ СВ ы и развернуты под бочим кромкам, а ли ор установлен с воз нияи фиксации тех при которых собстве изатора поочередно венным векторам кажд наль глом 45 к ейный поляожностью го положеный вектор араллелен их риз ий,оляробст ективи фото с я т иэ пла тин ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Специальное конструкторскоебюро научного приборостроения"Оптика" СО АН СССР и Институт космических исследований АН СССР(54)(57) ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащийпоследовательно расположенные на оптической оси источник света, объек-.тив.прямого преобразования фурье,держатель контролируемого объекта,фильтр пространственных частот ввиде двумерного теневого ножа, объобратного преобразования. Фурьеприемник, о т л и ч а ю щ и й -ем, что, с целью повышения точности измерений обеих ортогональных-. составляющих поперечной аберрации волнового фронта, в него введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполнен- . ного щелевым с возможностью поочередной фиксации щели в двух взаимно ортогональных положениях, а фильтр пространственных частот выполнен вГвиде двух наложенных друг на друга линейно поляризующих пластин, рабочая кромка одной из которых ориентирована параллельно 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 ортогоьтра пространственных часто73 1 11733Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано как в технологическом контроле деталей в оптическом приборостроении, так и для исследо , вания неоднородностей в прозрачных оптических средах.Известен теневой прибор, содержащий щелевой источник света, контролируемый фокусирующий объект и 1 О частотный фильтр в виде полубесконечного экрана (теневого ножа), установенный в плоскости частотной фильтра 1иМ и визуализирукиций фазовые искаже ния 1ум5При 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 направлении, перпендикулярном кромке частотного фильтра - теневого ножа. В направлении, парал дельном кромке теневого ножа, чувствительность прибора к измерению аберраций равна нулю. Это приводит к тому, что при рассмотренной конструкции можно измерять только одну проекцию З 0 ,поперечной аберрации, а именно проекцию на ось, перпендикулярную кромке теневого ножа Вторая, ортогональнаясоставляющая поперечнойаберрации при этом совершеннонедоступна измерениям.35Основной недостаток такого теневого прибора состоит в том, что он присравнительно высоком уровне контраста теневой картины позволяет измерять только одну компоненту поперечной 40 аберрации волнового фронта. Для измерения второй компоненты, ортогональной первой, разворачивают одновременйно на 90 щелевой источник и нож, а зачастую и сам фотоприемник-регистратор 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 присут. ствуют, поэтому ортогональные компо ненты оказываются измеренными в разных координатных системах и оказываются несвязанными друг с другом.Для 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 фото- приемник 21 .В этом устройстве источник света является точечным, а частотный фильтр выполнен в виде экранов, заслоняющих нечетные квадранты частотной плоскости, и установлен в плоскости прост-.=. .ранственной частотной фильтрации так,что указанные экраны соприкасаются в начале координат, а четныеквадранты частотной плоскости остаются свободными. Притакой конструкции теневого прибора становитсявозможным 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 гиль- берт-образа этого объекта. Поэтому в такой картине присутствует сильный фон подсветки от изображения исходного объекта,.что приводит к низкому контрасту. Известно, что в теневых измерениях потеря контраста эквивалентна потере точности и чувствитель. ности 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.(фиг.2 и 3) выполнен из двух линейнополяри-ующих свет пластинок 8 и 9,наложенных другна друга таким образом, что их рабочие кромки перпендикулярны друг к другу и совпадают сосями координат частотной плоскости,а точка пересечения этих кромок лежит на оптической оси прибора (совмещена с началом координат указаннойплоскости). При этом собственные вектора (на фиг.1,2 показаны стрелками)пластинок 8 и 9 взаимно ортогональные и направлены под углом 45 к координатнымосям частотной плоскости.Пластинки 8 и 9, наложенные друг надруга, оставляют один из четырехквадрантов частотной плоскости полностью открытым, следующий по обходу:квадрант экранируется свободным участ.ком одной пластины 8, третий квадрант экранируется участками обеих наложенных друг на друга пластин и, наконец, последний квадрант экранируется свободным участком второй пластины 9. Поляризатор 2 имеет фиксированные положения, при которых направления его собственного вектора (на. фиг,1,4 и 5 показаны стрелкой) пооче.редно совпадают с направлением собственных векторов каждой из пластинок.8 и 9 составляющих фильтр пространственных частот 5. 1 О Поставленная цель достигается тем,,что в теневой прибор, содержащий по следовательно расположенные на оптической оси источник света, объективпрямого преобразования Фурье,держатель контролируемого объекта, фильтр.пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования фурье и фотоприемник, введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполненного щелевымс возможностью поочередной фиксациищели в двух взаимно ортогональныхположениях, а фильтр пространственных частот выполнен в виде двух на. -ложенных друг на друга линейно поляризующих пластин, рабочая кромкаодной из которых ориентирована параллельно первому фиксируемому положению щелевого источника, а рабочаякромка другой - второму положениюэтого источника, причем эти кромкипересекаются на оптической оси прибора, собственные вектора поляризующих пластин взаимно ортогональны иОразвернуты под углом 45 к их рабо.чим кромкам, а линейный поляризаторустановлен с возможностью вращенияи фиксации тех его положений, прикоторых собственный вектор поляризатор поочередно параллелен собствен-ным векторам каждой из пластин фильт.ра пространственных частот,На фиг.1 представлена принципиаль-З 5,ная оптическая схема прибора (Гх укоординатные оси частотной плоскости)",на фиг.2 - фильтр пространственныхчастот, вид спереди," на фиг.3 - тоже, вид сбоку, на фиг.4 и 5 -фиксиро-. 4 Ованные положения щели и линейного поляризатора на фиг.б и / - соответстФвующая этим положениям ориентация теневого ножа,45Теневой прибор содержит последова.тельно расположенные на оптической оси(фиг. 1) щелевой источник света 1, ли-нейный поляризатор 2, объектив прямогопреобразования Фурье 3, держатель контролируемого объекта 4, фильтр пространственных частот 5, объектив обратного преобразования фурье 6 и фотоприемник 7 с блоком обработки сиг-. нала. При этомщелевой источник 1 име ет два фиксированныхположения: при первом направление оси щели совпадает с направлением вертикальной частот-. Компоненты фильтра пространственных частот 5 могут быть изготовленыиз любого поляризационного материала, дающего линейную поляризацию, например из поляроидных пленок. Можно изготовить из одной кристаллической пластинки, например из кристаллического кварца, которая после изготовления разрезается на две части. После придания необходимой точности рабочим кромкам известными приемами оптической полировки, а также снятия фаски под острым углом, пластинки накладываются друг на друга указанным образом. В месте наложения пласттин их можно склеить, и собранный фильтр вставить в оправу и разместить в схеме теневого прибора. В качестве поляризатора 2 может быть использован материал, аналогичнык материалу поляризованных пластинок фильтра 5, или любая Йоляризационная призма, дающая линейную поляризацию, 1173373например призма Глана, установленная во вращающейся оправе. Оправка должна иметь фиксированные положения при своем вращении для того 1 чтобы совмещать направления собственного вектора поляризатора с.направлением пропускания поляризационных пластин фильтра 5.Устройство работает следующим образом. При выбранной ориентации щели 1й например горизонтальной, направление собственного вектора поляризатора 2 ориентируют в положение, показанное на фиг.4. Свет от щелевого источника 1, пройдя объектив прямого преобразования Фурье 3 и оптическую .П 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 вектора вертикальной пластины 8 и ортогонально направлению собственного вектора горизонтальной пластины 9. Эта означает, что в верхней полу- плоскости фильтр пространственных частот 5 будет прозрачен для света с указанной поляризацией, 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.б, т.е. теневой нож будет экравировать всю нижнюю полуплоскость. При изменении направления 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 частотной плоскости будет непрозрачным дляпроходящего света, а четвертый квад. -рант станет прозрачным, поскольку осьпропускания и вектор поляризации проходящего света совпадут. Фильтр примет вид, изображенный на фиг.7, В пер.вом случае теневой прибор измеряетвертикальную составляяцую поперечной 1 О аберрации, во втором - горизонтальную,При этом нож в виде предложенногочастотного фильтра остается неподвиж. ным. Вращаются только щель и поляризатор, которые не оказывают влияния на 15 положение ножа. Измерения ортогональных компонент поперечных аберрацийведутся известными способами.Таким образом, сохранив максимальный контраст теневой картины, можно 20 измерить две ортогональные компонентыпоперечной аберрации. При этом сохранение высокого контраста позволяетдостичь хорошей точности измеренияотдельных компонентов аберраций, а не изменность положения ножа обеспечивает точное совпадение положения коорди-натных систем для этих компонентов,что, в свою очередь, исключает необходимость их привязки друг к другу до полнительными измерениями и калибровкой.Изобретение может быть использовано при построении карты оптических деталей или при исследовании фазовыхискажений в прозрачных средах, например в газодинамике прозрачных струйных течений. При этом предложеннаяконструкция прибора позволяет без существенной переделки использовать име.40 ющиеся широко распространенные промьппленные установки теневых измеренийтипа ИАБ, ТЕ, Теньи др, Всяпеределка указанных приборов сводитсяк замене ножа на предложенный поляри зационный нож и установке за источником света поляризатора.Таким образом, рассмотренный теневой прибор позволяет измерять обе ортогональные составляющие поперечнойабберации с более высокойпо сравненикс известными конструкциями точностью,1173373 8. 2 Составитель В.КравченкоРедактор А,Гулько Техред М.Пароцай Корр ек дей з 5049 д.4 ая н по 113035,илиал ПППТираж 526Государственногоелам изобретенийосква, Ж, Рауш Подписноеомитета СССРоткрытий Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4