Устройство для измерения оптической передаточной функции

(51)М. Кл. С 01 М 11/00 с присоедмнением заявки йо 2414748/10 и2 414 749/10(23) Приоритет Государственный комнтет СССР по делам нзобретеннй н открытнй(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля качества оптических систем, волновые аберрации 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 иэ объектов иэображения 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 значениипространственной частоты. Для измерения модуля оптической передаточной функции при другом значении необходимо предварительно произвестиперенастройку устройства 111.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является,устройство, содержащее узкий объект,освещенный монохроматическим светом,испытуемую оптическую систему, поверхнос:ь, чувствительную к световому потоку, например фотокатоддиссектора, установленную в плоскости, сопряженной с плоскостью объекта,которая электронными пучками проектируется в плоскость пластинки со щелью, выделяющейся из электронногоизображения узкую полоску, параллельную изображению,Поток электронов, пролетевших через щель, создает ток, который усиливается и воздействует на измерительную схему. Сканирование изображения,получаемого с помощью испытуемойоптической системы, осуществляетсяразверткой электронных пучков в поперечном к изображению направлении.К полученному при сканировании снгЗО налу применяется преобразованиеФурье, осуществляемое электрически,и результат воспроизводится на экра -не осциллографа 2).Недостатком оптического устройстваявляется его невысокая точность, таккак изображающие свойства электронныхпучков плохо поддаются опенке, и 5низкое быстродействие, обусловленноесложностью схемы обработки сигналов,поэтому частота развертки луча наэкране осциллографа не превышает10 Гц, что воспринимается наблюдате - )Олем как мигание, а не как ровное све -чение, и приводит к его быстромуутомлению.Целью предлагаемого изобретенияявляется повышение точности и быстродействия устройства,Эта цель достигается тем, что вплоскости, сопряженной с плоскостьютест-объекта, неподвижно относительно изображения тест-объекта установ 20лен непрозрачный экран со щелями,параллельными изображению и расположенными друг от друга на расстоянии,равномЛе=4 я 1 плгде 0 - расстояние между соседнимищелями;длина волны монохроматического света;с - апертурный угол пучка лучей,сходящегося на экране, за которымрасположена оптико-злектрическаясистема обработки сигналов, осущест -вляющая гармонический синтез оптической передаточной функции в видесуммы набора произведений значенийфункции распределения освещенностив точках, соответствующих щелямэкрана, на гармоническую функцию.Распределение освещенности визображении тест-объекта описывается функцией рассеяния линии, являющейся обратным преобразованием Фурьеот оптической передаточной функции,45В силу того, что оптическая передаточная функция тождественно равнанулю вне определенного конечногопромежутка, значения функции рассеяния линии в точках, относящих друг 50от друга на расстоянии 1, определяемой формулой (1), являются коэффициентами ряда Фурье от оптическойпередаточной функции, Таким образом,световые потоки, прошение через 55отдельные щели экрана, пропорциональны коэффициентам ряда Фурье отоптической передаточной функции,Оптико-электрическая система обработки сигналов реализует частнуюсумму ряда Фурье, суммируя произведения коэффициентов ряда на гармони -ческие функции синусоидального иликосинусоидального вида.Умножение коэффициентов ряда85Фурье на гармонические функции достигается за счет того, что за или пе -ред экраном в непосредственной близости от него установлен оптическийэлемент с пропусканием, меняющимсявд пь щелей экрана по гармоническимзаконам с частотами, составляющимиарифметическую прогрессию. Кроме того, оптико-электрическая системаобработки сигналов содержит модулятор, установленный перед общим фотоприемником с воэможностью вращения,ось вращения которого перпендикулярна направленик щелей экрана и расположена на расстоянии не меньше, чем31 от ближайшей щели.Модулятор имеет ряд радиальныхщелей, расположенных под равным углом друг к другу. При вращении модулятора проекция одной из его щелейна плоскость непрозрачного экранапроходит сразу вдоль всех щелейэкрана, Таким образом, суммарныйсветовой поток, прошедший через всещели непрозрачного экрана, через одну щель модулятора и через оптический элемент, пропорционален значениючастной суммы ряда Фурье от оптической передаточной функции, поэтомуей же пропорционален и сигнал фотоэлектрического приемника. Расчетыпоказывают, что расположение осивращения на расстоянии не меньшем,чем 31 от ближайшей щели, являетсянеобходимым условием для достиженияприемлемой точности измерений.Вместо модулятора с фотоэлектрическим приемником устройство можетсодержать 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 сгармоническим пропусканием и сканирующего фотоприемного устройства оптико-электрическая система обработкисигналов может содержать зеркальныйцилиндр, установленный за непрозрачным экраном параллельно его щелям,и совокупность фотоэлектрическихприемников, выходы которых соединеныс аналоговыми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу,Зеркальный цили ндр напра вл яетсвет от каждой отдельной щели наодин из фотоприемников, которыйвырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный соответствующему коэффициенту ряда Фурье от оптическойпередаточной функции. Этот сигнал,поданный на первый вход аналоговогоумножителя, умножается на синусоидальный сигнал, амплитуда которогоодна и та же для всех аналоговыхумножителей, а частота зависит отумножителя, но кратна частоте развертки луча в осциллографе, поданнойна другой вход аналогового умножителя, а сумматор суммирует промодулированные сигналы. При модуляции постоянных сигналов синусоидальными сигналами реализуется мнимая часть оптической передаточной функции, а при модуляции косичусоидальными сигналами реализуется ее реальная часть. Иодулирующие сигналы можно получить из генератора развертки осциллографа с помощью узкополосных эл ктри - ческих фильтров, Фазослвигаюших 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.3 - графики пропускания опгического элемента при измерении мнимой части оптической передаточной Функции; на Фиг.4 устройство для измерения оптической передаточной функции с опти - ческим элементом переменного пропускания и диссектором; на Фиг, 5 устройство для измерения оптической передаточной функции с несколькими фотоэлектрическими приемниками, аналогоными умножителями и сумматором.Устройство с оптическим элементом переменного пропускания и модулятором содержит монохроматический источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде линии, испытуемую оптическую систему 4, неподнижный относительно изображения тест-объект экран 5 со щелями б, расположенными параллельно изображению, оптический элемент 7 с меняющимся вдоль щелей по гармоническим законам пропусканием, модулятор 8 со щелями 9, собирающую линзу 10, фотоэлектрический приемник 11 и осциллограф 12.Источник 1 света с помощью осветительной системы 2 освещает объект 3, который изображается испытуемой оптической системой 4 в плоскость непрозрачного экрана 5, Вследствие ди - фракции и аберрации изображение перекрывает все щели 6. Свет, прошедший через щели 6, проходит далее через оптический элемент 7, модулируюший 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 б. При этом световой поток, прошедший через систему; щели экрана-оптический элемент-щель модулятора, оказывается громодулированным по времени по гармоническому закону, а полный световой поток, прошедший через все щели экрана, меняется во времени по закону, пропорциональному частнойсумме ряда Фурье от оптической передаточной функции.Этот световой поток направляетсяна фотоэлвкгрический приемник 11,соединенный с осциллографом 12, наэкране которого воспроизводится 5 осциллограмма частной, суммь рядаФурье. На Фиг.3 представлены графики пропускания оптического элемента7 в случае, когда число щелей равносеми и измеряется мнимая часть опти- )0 ческой передаточной функции, Функциипропускания щелей могут быть ныраже -ны уравнениями:25 где х - текущая координата вдольщели;Т - длина щели;У - пропускание светоного потока;30 чг - число, примерно равное3,14159265358979323846264 Для измерения реальной части оти -ческой передаточной функции пропуска 35 ния вдоль щелей должны меняться по к -си н у содал ьн ым з а кон ам, В ари а н т у ст ро 1- ст на с ди ссектором ( Фи г. 4) содержитмонохроматический источник 1 света,осветительную систему 2, тест-объект3 в виде линии, испытуемую оптичес.81кую систему 4, непрозрачный экран 5со щелями б, оптический элемент 7сменяющимся вдоль щелей по гармони -ческим законам пропусканием, диссектор 20, имеющий устройство разве 1 т"ки изображения 21 и диафрагму 22 нвиде щели, расположенную н плоскостиэлектронного изображения, генераторанапряжения развертки 23 и осциллограф 12,Диафрагма 22 расположена перпендикулярно щелям 6, а устройство раз -вертки 21 осуществляет сканированиедиафрагмой 22 электронного изображения, соответствующего оптическому58 изображению после экрана 5 и оптического элемента 7, в направлениивдоль щелей б. На выходе диссектора 20 образуется сигнал, пропорциональный реальной или мнимой части,оптической передаточной фу кци, ко. -торый подается на вход осциллогра -фа 12. Развертка луча н осциллографе 12 и развертка электронного изо/ -ражения н диссекторе синхронизированы благодаря питанию от одногогенератора 23.(фиг,5) содержит монохроматическийисточник 1 света, осветительнуюсистему 2, тест-объект 3 в виделинии, испытуемую оптическую систему 4, непрозрачный экран 5 со щелями 6, зеркальный цилиндр 24, рядфотоэлектрических приемников 11, рядэлектрических узкополосных Фильтров25, ряд фазосднигающих элементов 26,ряд усилителей 27, ряд аналоговыхумножителей 28, сумматор 29, генератор 30 пилообразного напряжения иосциллограф 12.Зеркальный цилиндр 24 направляетсвет от каждой из щелей б на одиниз Фстоэлектрических приемников 11,выходы которых соединены с первымивходами аналоговых умножителей 28,на вторые входы которых подаютсясинусоидальные или косинусоидальныенапряжения одинаковой амплитуды,получающиеся из генератора 30 пилообразного напряжения с помощью узкополосных фильтров 25, Фаэосдвигающихэлементов 26 и усилителей 27, Узкополосные фильтры 25 настроены начастоты, кратные частоте разверткилуча в осциллографе 12,Усилители 27 выравнивают амплитуды выделенных гармонических составляющих пилообразного сигнала, аналоговые умножители 28 осуществляют модуляцию постоянных сигналов от фотоэлектрических приемникон 11; промодулированные сигналы суммируют сумматором 29, и суммарный сигнал подается на вход осциллографа 12,Устройство обеспечивает высокуюточность и скорость измерений, всилу чего оно может с успехам применяться для юстировки и контроля оптических систем, в частности микроскопов и микрообъектон, непосредственно в цехоных условиях, причемоно позволяет оценинать не толькосимметричные. аберрации, но такжехроматизм увеличения и другие.Формула изобретения1. Устройство для измерения оптической передаточной функции, содержащее тест-объект в виде линии, освещаемой через оптическую систему монохроматическим снетам, испытуемую оптическую систему, фотоэлектрическую приемную систему и осциллограф, а т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в плоскости, сопряженной с плоскостью тест-объекта, неподвижно относительно изображения тест- объекта установлен непрозрачный экран со щелями, параллельными изображению и расположенными друг от друга на расстоянии, равномЛ е: -- . 41 п сГ р где Р - расстояние между соседнимищелями;Л- длина волны монохроматичес -кого света;сГ.- апертурный угол пучка лучей,сходящегося на экране,за которым расположена оптико-электрическая система обработки сигналов, осуществляющая гармонический синтез оптическойпередаточной функции н ниде суммынабора произведений значений функциираспределения освещенности в точках,соотнетствующих щелям экрана, нагармоническую Функцию,2, Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что эа илиперед экраном установлен оптическийэлемент с пропусканием, меняющимсявдоль щелей экрана по гармоническимзаконам с частотами, составляющимиарифметическую прогрессию.30 3, Устройстно по пп1,2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что оптико-электрическая система обработкисигналов содержит модулятор, установленной перед общим фотоэлектри 35 ческим приемником с возможностьювращения, ось которого перпендикулярна направлению щелей экрана ирасположена на расстоянии не меньшем, чем 3 от ближайшей щели.4) 4, УсГройство па пп1 ф 2 о тл и ч а ю щ е е с я тем,что оптико-электрическая система обработкисигналов содержит диссектор сощелью, перпендикулярной щелям экра 455. Устройство по п, 1, о т л ичающееся тем, чтооптикоэлектрическая система обработкисигналов выполнена в виде зеркального цилиндра, направляющего свет50 от каждой щели экрана на один изфотоэлектрических приемников, выходыкоторых соединены с аналоговыми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу.55 Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1. Патент Великобритании 9 970369,кл. 6 1 А, опублик. 1964.2, Патент Франции 9 2151262,кл . С 01 М 11/00,опублик,1973 (прототиП 1ПодписСР ираж 1090твенного ксмитета етений и открытий -35, Раушская наб акаэ 5273/ д.4/5 Филиал ППППатент , г.ужгород, ул ктная,едактор И.Марховска 11 ПИИПИ Госуд по делам из113035, Москва СоставиТехред С В .Белоусовай корректор Г.Решетни