Теневой прибор

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 0117 1)д С 02 В 27/О Ж1 ъЯЩДЯ13 ",НИ Б ТЕНИ К АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТ всее орское ния Опти косми тические 968 ф с.21 2. П кл. С 0ен о сши- Яций ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Специальное конструбюро научного приборострка" СО АН СССР и Институких исследований АН СССР(54)(57) 1. ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, фокусирующий объект, частотный фильтр, выполненный в виде теневого или фазового ножа и установленный в частот- . ной плоскости фокусирующего 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерения аберраций асферического волнового фронта, в него вве дены установленные последовательно между частотным фильтром и объективом Фурье коллимирующий объектив и фотометрический компенсатор теневого изображения, включакщий покрайней мере один светопоглощакщнй элемент, закон изменения по площади коэффициента поглощения которого совпадает с законом изменения освещенности втеневой картине от фокусирующего объекта с идеальной формой.2. Прибор по п.1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью ра рения диапазона измеряемых аберра асферического волнового фронта, в фотометрический компенсатор введен регулируекай по полю излучения источник света, ось которого совмещена с оптической осью прибора через свето- делитель, установленный за светопоглощающим элементом.го ножа и установленный в частотной З 0 плоскости фокусирующего объекта объектив фурье, в фокальной плоскости которого установлен сканирующий фото- приемник с блоком обработки измеряемого сигнала, и подключенный к этому З35 блоку визуализатор измеряемых искажений, выполненный в виде телевизионного дисплея или осциллографа 2 . 40 ключена возможность регулирования фор 55 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 света, контролируемый фокусирующий объект и частотный фильтр в виде теневого ножа, установленный в плоскости частотной фильтрации и визуализирующий фазовые искажения, которые регистрируются фотоприемником 11,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 фазовоБлок обработки измеряемого сигнала в этомприборе включают блок формирования импульса в виде отрицательной ступеньки, блок сложения сформированного импульса с измеряемым сигналом"Микшер" и блок интегрирования. Проинтегрированный сигнал с известнойточностью 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", замы результирующего после сложениясигнала. Так, задавая форму сигнала"Ступеньки" или регулируя его форму,модно добиться, чтобы сигнал от асферического волнового фронта компенсировался электрическим путем до вида,20 25 соответствующего сферическому волновому фронту. Поскольку величину амплитуды сигнала Ступеньки" легко измрить, то прибор после такого усовершенствования способен измерять и асферические волновые фронты, что сразурасширяет 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 одновременногодля всех сечений-сканов картины существенно снижается точность измерений, а сам подбор .является весьмасложной процедурой. Это обусловленотем, что компенсация аналоговым путем (электрическим сигналом) имеетограничения по точности из-заухудшения отношениям сигнал/шум длярезультирующего сигнала. Кроме того,следует отметить сложность калибровки сигнала аналоговой компенсациии трудности непосредственной оценкирезультата компенсации по виду теневой картины, вызванные тем, что натеневой картине такая компенсация неотражается, а производится тольконад сигналом строки-скана, выделеннойиз нее. Трудно также совместить временную координату сигнала компенсации на развертке электрического профиля сигнала с пространственной координатой на теневой картине и наобъекте измерения (особенно в случаедвумерной теневой картины). Таким образом, указанные недостатки снижаютточность измерений и усложняют процедуру контроля.Цель изобретения - повышениеточности, упрощение измерения, атакже расширение диапазона измеряемыхаберраций асферического волновогофронта,Поставленная цель достигаетсятем, что в теневой прибор, содержащий последовательно расположенныена оптической оси источник света,фокусирующий объект, частотныйфильтр, выполненный в виде теневогоили фазового ножа и установленный вчастотной плоскости фокусирующегообъекта, объектив Фурье, в фокальной плоскости которого установленсканирующий фотоприемник с блокомобработки измеряемого сигнала, иподключенный к этому блоку визуали11733затор измеряемых искажений, выполненный. в виде телевизионного дисплея или осциллографа, введены установленные последовательно между частотным фильтром и объективом Фурье коллимируюший объектив и фотометрический компенсатор теневого изображения, включающий по крайней мере один светопоглощающий элемент, закон изменения по площади коэффициента 10 поглощения которого совпадает с законом изменения освещенности в теневой картине от фокусирующего объекта с идеальной формой.При этом в фотометрический компен1сатор введен регулируемый по полю излучения источник света, ось которого совмещена с оптической осью прибора через светоделитель, установленный за светопоглощающим элементом. 20На фиг.1 представлена принципиальная оптико-электронная схема прибора, на фиг.2 - положение частотной плоскости сферы и параболы относительно теневого ножа, на фиг.3 - теневая 25 картина асферического волнового фронта, на фиг.4 - фотометрическое сечение теневой картины асферического волнового фронта (1 - освещенность) или, что одно и то же, график поглощения Д в светопоглощающем элементе фотокомпенсатора, на фиг.5 - распределение освещенности после прохождения светопоглощающего элемента, на. фиг.б - распределение интенсивности35 на регулируемом по полю источнике, на фиг.7 - результирующая освещенность после фотометрической компенсации, на фиг.8 - профиль волновых аберраций Ь после интегрирования вдоль одного из сечений теневой картины.Теневой прибор включает последовательно расположенные на его оптической оси источник света 1, контролиру,емый фокусирующийобъект 2,частотный 45 фильтр 3, коллимирующий объектив 4, фотометрический компенсатор (на фиг.1 выделен пунктирной линией), состоящий из элементов 5, 6 и 7, объектив фурье 8 и сканирующий фотоприемник 9, подключенный к блоку электронной обработки сигнала 10, выходы которого соединены с входами визуализирующих устройств- монитора 11 и осциллографа 12. При этом излучение регулируемого по полю 55 источника света б совмещено с главной оптической осью прибора через свето- делитель 7, установленный за светопо 77 4глощаюшпм компонентом 5 фотометрического компенсатора.В качестве элемента 5, уменьшающего Освещенность, может быть использована фотографическая пластина с негативным изображением идеальной теневой картины. В свою очередь идеальная теневая картина может быть получена либо расчетным путеми генерацией ее на экране дисплея ЭВМ с последующим фотографированием, 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 падающего 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 следующим 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 вице 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 флуктуаций 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 1 173374,екте, Б этом пучке устанавливается Фотометрический компенсатор.,Он пред ставляет собой набор оптических элементов, которые позволяют управлять интенсивностью светового луча за объективом 4. Так, например, для фотометрического устранения распределения освещенности, соответствующей асферичности волнового Фронта, О нужно скомпенсировать освещенность в пучке до нейтрально серой, соответствующей идеальному сферическому фронту. Для этого светлые участки нужно затемнить 1 а темные участки 5 поля осветить. В предлагаемой конструкции теневого прибора для большей простоты создания нужного закона распределения освещенности используется фотометрический компенсатор, 20 выполненный из двух компенсационных фотометрических элементов. Первый элемент 5 уменьшает освещенность в пучке, а второй элемент 6 увеличивает ее. 25Необходимость 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, дающего добавочную регулируемую освещенность, позволяет проводить коррекцию распределения освещенности после поглощения на элементе 5 так, что после светоделителя 7 достигается эффект компенсации асферичности фото- метрическим путем, а оставшиеся флуктуации освещенности теневой картины обусловлены только местными 45 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 распределение (фиг.7) измеряется следукщим образом. Объектив Фурье 8 строит изображение теневой картины на фотоприемнике 9. Сигнал с Фотоприемника 9 поступает в блок обработки 10, а с него на экран осциллографа 12 или на.экран визуализирующего теневую картину дисплея 11, При этом в качествефотоприемника используется сканирующий фотоприемник, например передающаятрубка (виднкон) промышленной телевизионной установки (например, ПТУ,ПТУ). Блок обработки сигнала 10 работает следующим образом. По желанию оператора узлом выделения строки (такой узел предусмотрен любым телевизионным осциллографом) выделяется нужное сечение теневой картины,.например диаметральное. Сигнал выделенной строки складывается электрически с сигналом типа "Ступеньки", который генерируется в блоке 10, После сложения сигналов результирующий сигнал интегрируется в этом блоке цепью типа "Интегрирующая цепочка , в простейшем своей реализации представляющей 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 строкавысвечивалась на мониторе 11 яркой линией для удобства визуального контроля места расположения сечения. Для автоматизации получения результата совсей теневой картины в блок обработки сигнала вводится узел,обеспечивакщий последовательное считыва-ние 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 ит коэффициента усиления, например,переходя на другое (меньшее) усиление после телевизионного тракта как в ПТУ, так и в осциллографе 12. Для создания светового пучка берут точеч7 11733 ный источник света с равномерным рас - пределением освещенности и помещают его в частотной плоскости, выводя частотный фильтр из его рабочего положения в сторону. Тогда равно 5 мерная 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 кантролиру- о емое изделие с асферической формой, что позволяет в свою очередь измерять 74 8асферич.зские 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,