Теневой прибор

 

ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий последовательно расположенные на оп тической оси источник света, объектив прямого преобразования Фурье, держатель контролируемого объекта, фильтр пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования Фурь и фотоприемник, отличающий с я тем, что, с целью повьшения то ности измерений обеих ортогональных составляющих поперечной аберрации волнового фронта, в него введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполненного щелевым с возможностью поочередной фиксации щели в двух взаимно ортогональных положениях, а фильтр пространственных частот вьтолнен в виде двух наложенных яруг на цруга линейно поляризующих пластин, рабочая кромка одной из которых ориентирована параллельно первому фиксируемому положению щелевого источника, а рабочая кромка другой - второму положению этого источника, причем зти кромки пересекаются на оптической оси прибора, собственные вектора поляризукщих пластин взаимно ортогональны и развернуты под углом 45 к их рабочим кромкам, а линейный поляризатор установлен с возможностью вращения и фиксации тех его положений , при которых собственный вектор поляризатора поочередно параллелен собственным векторам каждой из пластин фильтра пространственных частот

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,SU „, 3173373 (5!)4 02 В 27/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (23) 3696268/24-10 (22) 25.01.84 .(46) 15.08.85. Бюл. 9 30, (72) Э.А.Витриченко и Л.А.Пушной (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения

"Оптика" CO АН СССР и Институт космических исследований АН СССР (53) 835.8(088.8) (56) 1. Афанасьев В.А. Оптические измерения. M. "Недра", 1968, с. 215-216.

2. Сороко Л.М. Гильберт-оптика. . И., "Наука", 1 981, с. 38-42 (прототип) . (54) (57) ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий последовательно расположенные на on. тической оси источник света, объек-. тив.прямого преобразования Фурье, держатель контролируемого объекта, фильтр пространственных частот в виде двумерного теневого ножа, объектив обратного преобразования Фурье и фотоприемник, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, 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 в

l виде двух наложенных друг на друга ли-. нейно 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 ортогоо нальны и развернуты под углом 45 к их рабочим кромкам, а линейный поляризатор установлен с возможностью вращения и фиксации тех его положений, при которых собственный вектор поляризатора поочередно параллелен собственным векторам каждой иэ пластин фильтра пространственных частот

I 117ЗЗ

Изобретение относится к оптической измерительной технике и может быть использовано как в технологи— ческом 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 10 частотный фильтр в виде полубесконечного экрана (теневого ножа), установенный в плоскости частотной фильтра1 ий и визуализирукиций фазовые искаже. ния (1) е р f 15

При такой конструкции прибора неоднородность фазы волнового фронта объекта контроля вызывает флуктуации интенсивности в теневой картине, которые регистрируются фотоприемником. щ

При этом максимальная чувствительность к величине поперечной аберрации достигается в направлении, перпендикулярном кромке частотного фильтратеневого ножа. В направлении, парал- 5 лельном кромке теневого ножа, чувствительность прибора к измерению аберраций равна нулю. Это приводит к тому, что при рассмотренной конструкции можно измерять только одну проекцию ,поперечной аберрации, а именно проекцию на ось, перпендикулярную кромке теневого ножа.. Вторая, ортогональная составляющая поперечнойаберрации при этом совершеннонедоступна измерениям.

Основной недостаток такого теневого прибора состоит в том, что он при сравнительно высоком уровне контраста теневой картины позволяет измерять только одну компоненту поперечной 40 аберрации волнового фронта. Для измерения второй компоненты, ортогональной первой, разворачивают одновременЭ но на 90 щелевой источник и нож, а зачастую и сам фотоприемник-регистра-45 тор 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 присутствуют, поэтому ортогональные компо- 55 ненты оказываются измеренными в разных координатных системах и оказываются несвязанными друг с другом. Для их

73 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 фотоприемник (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 четные квадранты частотной плоскости остаются свободными. При такой конструкции теневого прибора становится возможным 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 гильберт-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 чувствительности 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.

1173373 4 ной оси f, при втором — с горизон3 тальной частотной осью f 1

Фильтр пространственных частот 5 (фиг.2 и 3) выполнен из двух линейно поляри-ующих свет пластинок 8 и 9, наложенных друг на друга таким образом, что их рабочие кромки перпендикулярны друг к другу и совпадают с осями координат частотной плоскости, а точка пересечения этих кромок лежит на оптической оси прибора (совмещена с началом координат указанной плоскости). При этом собственные вектора (на фиг.1,2 показаны стрелками) пластинок 8 и 9 взаимно ортогональные и направлены под углом 45 к координатным осям частотной плоскости.

Пластинки 8 и 9, наложенные друг на друга, оставляют один из четырех квадрантов частотной плоскости полностью открытым, следующий по обходу: квадрант экранируется свободным участком 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) поочередно совпадают с направлением собственных векторов каждой из пластинок .8 и 9 составляющих фильтр пространственных частот 5.

Поставленная цель достигается тем,,что в теневой прибор, содержащий по° следовательно 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 фотоприемник, введен линейный поляризатор, который установлен после источника света, выполненного щелевым с возможностью поочередной фиксации щели в двух взаимно ортогональных положениях, а фильтр пространствен- 15 ных частот выполнен в виде двух наложенных друг на друга линейно поляризующих пластин, рабочая кромка одной из которых ориентирована парал. лельно .первому фиксируемому положе- 20 нию щелевого источника, а рабочая кромка другой — второму положению этого источника, причем эти кромки пересекаются на оптической оси прибора, собственные вектора поляризу- 25 ющих пластин взаимно ортогональны и

О развернуты под углом 45 к их рабо.чим кромкам, а линейный поляризатор установлен с возможностью вращения и фиксации тех его положений, при. которых собственный вектор поляризатор поочередно параллелен сббствен- ным векторам каждой из пластин фильтра пространственных частот.

На фиг.1 представлена принципиаль-З5 ,ная оптическая схема прибора (f х у координатные оси частотной плоскости)", на фиг.2 — фильтр пространственных частот, вид спереди," на фиг.3 — то же, вид сбоку, на фиг.4и 5 -фиксиро- . 40 ванные положения щели и линейного по1 ляризатора на фиг.б и / — соответстФ вующая этим положениям ориентация те невого ножа.

Теневой прибор содержит последова.тельно расположенные на оптической оси (фиг. 1) щелевой источник света 1, ли- нейный поляризатор 2, объектив прямого преобразования 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- 55 ет два фиксированных положения: при первом направление оси щели совпадает с направлением вертикальной частот-.

Компоненты фильтра пространственных частот 5 могут быть изготовлены ! ! из любого поляризационного материала, дающего линейную поляризацию, напри мер 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 пласт тин 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, 117ЗЗ7З например призма Глана, установленная во вращающейся оправе. Оправка должна иметь фиксированные положения при своем вращении для того чтобы совмещать направления собственного вектора поляризатора с.направлением пропускания поляризационных пластин фильтра 5.

Устройство работает следующим образом.

При выбранной ориентации щели 1 и 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 плос-! кость, 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 полуплоскости 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 экраяировать 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 для проходящего света, а четвертый квад.— рант станет прозрачным, поскольку ось пропускания и вектор поляризации проходящего света совпадут. Фильтр примет вид, изображенный на фиг.7. В первом случае теневой прибор измеряет вертикальную составлякщую поперечной

1О аберрации, во втором — горизонтальную.

При этом нож в виде предложенного частотного фильтра остается неподвиж. ным. Вращаются только щель и поляризатор, которые не оказывают влияния на

15 положение ножа. Измерения ортогональных компонент поперечных аберраций ведутся известными способами.

Таким образом, сохранив максимальный контраст теневой картины, можно

20 измерить две ортогональные компоненты поперечной аберрации. При этом сохранение высокого контраста позволяет достичь хорошей точности измерения отдельных компонентов аберраций, а не25 изменность положения ножа обеспечивает точное совпадение положения коорди- натных систем для этих компонентов, что, в свою очередь, исключает необходимость их привязки друг к другу до30 полнительными измерениями и калибровкой.

Изобретение может быть использовано при построении карты оптических деталей или при исследовании фазовых искажений в прозрачных средах, например в газодинамике прозрачных струйных течений. При этом предложенная конструкция прибора позволяет без существенной переделки использовать име40 ющиеся широко распространенные промьппленные установки теневых. измерений типа ИАБ-45, ТЕ-20, Тень-5 и др. Вся переделка указанных приборов сводится к замене ножа на предложенный поляри45 зационный нож и установке за источником света поляризатора.

Таким образом, рассмотренный теневой прибор позволяет измерять обе ортогональные составляющие поперечной абберации с более высокойпо сравненик с известными конструкциями точностью,.

1 !

11733 3

Ри.г.3 щиг. 2

Диг.9

Фиг. 7 Риз,б

Составитель В.Кравченко

Редактор А.Гулько Техред М.Пароцай, Корректор И.Эрдейи

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 5049/46 Тираж 526 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5