Способ интерференционного контроля качества телескопических оптических систем

 

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для контроля качества зрительных труб типа Галилея. Сущность изобретения: способ включает пропускание плоской когерентной световой волны через диффузный рассеиватель, пропускание диффузно рассеяных волн через контролируемую оптическую систему с известной величиной увеличения, регистрацию голограммы с помощью плоской опорной волны, освещение голограммы теми же волнами, введение в них взаимных фазовых изменений, проведение пространственной фильтрации в плоскости голограммы, регистрацию интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины и осуществление контроля качества оптической системы по интерферограммам. Взаимные фазовые изменения в световых волнах осуществляют путем сдвига контролируемой оптической системы и голограммы на величины, связанные соотношением, приведенным в описании. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для контроля качества зрительной трубы типа Галилея и может найти применение в производстве, занятом их изготовлением.

Известен способ контроля качества телескопической оптической системы [1] , по которому пропускают через диффузный рассеиватель волновой фронт излучения, прошедшего контролируемый объект, регистрируют голограмму рассеянных волн с опорной плоской волной, освещают голограмму теми же волнами, сдвигают диффузный рассеиватель и голограмму в одном направлении перпендикулярно оптической оси на одинаковую величину, проводят пространственную фильтрацию в плоскости голограммы, регистрируют интерферограмму бокового сдвига в полосах бесконечной ширины и осуществляют контроль качества оптической системы по интерферограмме.

Недостаток способа заключается в малой информативности голограммы. Это объясняется тем, что коррелирующие объективные спекл-поля в плоскости голограммы, с помощью которых формируется интерференционная картина, несут информацию только в волновом фронте одного направления просвечивания диффузного рассеивателя.

Ближайшим по технической сущности к заявляемому способу является способ интерференционного контроля качества телескопической оптической системы Галилея [2], по которому пропускают плоскую когерентную световую волну через диффузный рассеиватель, пропускают диффузно рассеянные волны через контролируемую телескопическую оптическую систему, регистрируют голограмму с помощью плоской опорной волны, освещают голограмму теми же волнами, сдвигают диффузный рассеиватель и голограмму в одном направлении перпендикулярно оптической оси, проводят пространственную фильтрацию в плоскости голограммы, регистрируют интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины и осуществляют контроль качества оптической системы по интерферограммам.

Недостаток способа - низкая точность контроля. Это объясняется тем, что в плоскости изображения диффузного рассеивателя, где локализуется интерференционная картина, характеризующая качество оптической системы типа зрительной трубы Галилея, локализуется также интерференционная картина, обусловленная фазовыми искажениями фронта волны излучения, используемого для освещения диффузного рассеивателя из-за оптического несовершенства оптических элементов, формирующих этот фронт.

Цель изобретения - повышение точности контроля телескопической оптической системы типа зрительной трубы Галилея.

Цель достигается тем, что пропускают плоскую когерентную световую волну через диффузный рассеиватель, пропускают диффузно рассеянные волны через контролируемую телескопическую оптическую систему с известной величиной μ увеличения, регистрируют голограмму с помощью плоской опорной волны, освещают голограмму теми же волнами, вводят в них взаимные фазовые изменения, проводят пространственную фильтрацию в плоскости голограммы, регистрируют интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины и осуществляют контроль качества оптической системы по интерферограммам.

В отличие от известного способа взаимные фазовые изменения в световых волнах осуществляют путем сдвига контролируемой оптической системы и голограммы на величины, связанные соотношением b/a = 1- 1/μ , где a и b - величина сдвига контролируемого объекта и голограммы соответственно.

В способе повышение точности контроля обеспечивается созданием условий формирования в диффузно рассеянных полях интерферограмм бокового сдвига в полосах бесконечной ширины, характеризующих качество контролируемой оптической системы и локализующихся в плоскости изображения диффузного рассеивателя, при которых не образуется интерференционная картина, обусловленная фазовыми искажениями фронта волны излучения, используемого для освещения диффузного рассеивателя, из-за оптического несовершенства оптических элементов, формирующих этот фронт.

Для рассматриваемой афокальной телескопической оптической системы образование интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины в диффузно рассеянных полях следует из создания условий совпадения субъективных спекл-полей в плоскости и фотопластинки-голограммы при выполнении указанных признаков.

Комплексные амплитуды u₁ (x₄, t₄), u₂ (x₄, y₄ ) спекл-полей в плоскости (x₄, y₄) фотопластинки-голограммы в приближении Френеля можно представить в виде u₁(x₄, y₄) t (x₁, y₁) exp {ik [(x₁-x₂)² + (y₁-y₂)²]/2l₁× ×p₁(x₂, y₂) exp iϕ₁(x₂, y₂)exp [-ik (x²₂+y²₂)/2f₁] exp{ik [(x₂-x₃)²+ -) p₂(x₃,y₃) exp iϕ₂(x₃, y₃)× ×exp{ik [(x₃-x₄)²+ (y₃-y₄)²]/2l₂} dx₁dy₁dx₂dy₂dx₃dy₃, (1) u₂(x₄, y₄) t (x₁, y₁) exp {ik [(x₁-x₂)² + (y₁-y₂)²]/2l₁}× x,(x₂+a,y₂)exp {-ik [(x₂+a)²+y²₂]/2f₁} × -) a,y₃)exp iϕ₂(x₃+ a,y₃) × exp { ik [(x₃-x₄+ b)²+ (y₃-y₄)²] /2l₂} dx₁dy₁dx₂dy₂dx₃dy₃ (2) где (x₁, y₁) - плоскость диффузного рассеивателя с комплексной амплитудой прозрачности t(x₁, y₁); k - волновое число; (x₂, y₂) - главная плоскость объектива с фокусным расстоянием f₁ с обобщенной функцией зрачка p₁(x₂, y₂) exp iϕ₁(х₂, y₂); l₁ - расстояние между плоскостями (x₁, y₁) и (x₂, y₂); (x₃, y₃) - главная плоскость окуляра с фокусным расстоянием f₂ с обобщенной функцией зрачка p₂(х₃, y₃) exp iϕ₂(x₃, y₃); l₂ - расстояние между плоскостями (x₃, y₃), (x₄, y₄); a и b - соответственно величины смещений зрительной трубы и голограммы. Выражение (2) записано при условии сдвига зрительной трубы и голограммы в одном направлении по оси x, перпендикулярной оптической оси.

При выполнении условия b = a1- , где μ = f₁/f₂ - коэффициент увеличения оптической системы, получим u₁(x₄,y₄) exp ik(x²₄+ y²₄) (1/2l₂- M/2l²₂-NM/2l²₂Δ²){ t (x₁y₁) × x²₁+y²₁)(1/2l₁-N/2l²₁) exp [-ik (x₁x₄+ y₁y₄)NM/l₁l₂Δ] × ⊗ p₁(x₄, y₄)⊗ P₂(x₄,y₄)}, (3)
u₂(x₄, y₄) exp ik(x²₄+ y²₂) (1/2l₂- M/2l²₂-NM²/2l²₂Δ²){ t (x₁y₁) × x²₁+y²₁)(1/2l₁-N/2l²₁) exp [-ik (x₁x₄+ y₁y₄)NM/l₁l₂Δ] ×
⊗ exp (ikax₄ M/l₂Δ) P₁(x₄, y₄)⊗ exp (ikax₄/l₂)P₂(x₄,y₄)}, (4) где ⊗ - символ операции свертки;
= + + , Δ = f₁- f₂,
= + + - ,
P₁(x₄, y₄) = P₁(x₂y₂) exp iϕ₁(x₂,y₂) ×
× exp [-ik (x₂x₄+ y₂y₄)M/l₂Δ] dx₂dy₂, P₂(x₄, y₄) = P₂(x₃y₃) × exp iϕ₂(x₃, y₃)exp [-ik(x₃x₄+y₃y₄)/l₂] dx₃dy₃ - Фурье-образцы обобщенной функции зрачка объектива и окуляра зрительной трубы Галилея соответственно.

При проведении пространственной фильтрации в плоскости голограммы с помощью апертурной диафрагмы p₃(x₄, y₄) объектива с фокусным расстоянием f₃, используемого для регистрации интерференционной картины при выполнении условия построения с его помощью действительного изображения диффузного рассеивателя, то есть (l₂ Δ² - M Δ² - NM²)/l₂² Δ² + 1/l₃ = 1/f₃, где l₃ - расстояние от голограммы до плоскости регистрации интерференционной картины, получим
u(x₅,y₅) exp [ik(x²₅ + y²₅)/2l₃]{t(-μ₁x₅,- μ₁y₅) exp [ik (x²₅+y²₅)×
l-(-μ₂x₅, -μ₂y₅) P₂(--μ₃x₅, - μ₃y₅) →,
) P₁(-μ₂x₅+ a,
× exp i[ϕ₁(-μ₂x₅+ a₃ -μ₂y₅)+ϕ₂(--μ₃x₅ + a, - μ₃y₅)]} ⊗ P₃(x₅, y₅)} , (5) где μ₁ = l₁l₂ Δ /NMl₃, μ₂ = l₂ Δ /Ml₃, μ₃ = l₂/l₃ - коэффициэнты масштабного преобразования;
P₃(x₅, y₅) = P₃(x₄,y₄) exp [-ik(x₄x₅+ y₄y₅)/l₃] dx₄dy₄ - Фурье-образец пропускания фильтрующего экрана.

Суперпозиция коррелирующих спекл-полей приводит к образованию интерферограммы бокового сдвига в полосах ширины
I(x₅, y₅) {1 + cos [ϕ₁(-μ₂x₅, -μ₂y₅)+ ϕ₂(-μ₃x₅, -μ₃y₅) -
-ϕ₁(-μ₂x₅+ a, -μ₂y₅) - ϕ₂(-μ₃x₅+ a, -μ₃y₅)]}t(-μ₁x₅, -μ₁y₅)×
exp [ik (x²₅+ y²₅) μ²₁(l₁-N)/2l²₁]⊗ P₃(x₅,y₅) (6)
На чертеже изображена одна из возможных схем устройства, реализующего способ.

Устройство содержит блок 1 формирования плоского фронта волны освещения матового экрана 2, узел 3 крепления контролируемого объекта с механизмом 4 его смещения, блок 5 формирования плоской опорной волны и освещения фотопластинки-голограммы 6 с механизмом 7 ее смещения, пространственный фильтр 8, объектив 9, регистратор 10 интерферограммы.

Способ реализуется следующим образом.

Когерентной плоской волной, сформированной в блоке 1, проводится освещение матового экрана 2. С помощью плоской опорной волны, сформированной в блоке 5, на фотопластинке 6 проводится запись голограммы диффузно рассеянных волн, прошедших контролируемый объект типа зрительной трубы Галилея, закрепленной в узле 3. После проведенной записи голограммы 6 ее восстановление проводят исходной опорной волной, а освещение - предметной волной и смещают контролируемый объект в узле 3 крепления с помощью механизма 4 его смещения и голограмму 6 - с помощью механизма 7 ее смещения перпендикулярно оптической оси в одном направлении на величины, связанные соотношением b/a = 1 - 1/ μ, где a и b - величины смещений контролируемого объекта и голограммы соответственно; μ = =f₁/f₂, f₁, f₂ - соответственно фокусные расстояния объектива и окуляра зрительной трубы, причем a ≅ d/2, где d - диаметр зрачка зрительной трубы. С помощью непрозрачного экрана 8 с круглым отверстием, центр которого находится на оптической оси, отфильтровывают коррелирующие спекл-поля, которые в плоскости фоторегистратора 10 образуют интерферограмму бокового сдвига в полосах бесконечной ширины, характеризующей осевые волновые аберрации контролируемой зрительной трубы. Объектив 9 переотображает мнимое изображение матового экрана 2, сформированное контролируемым объектом, где локализуется интерференционная картина бокового сдвига, в плоскость фоторегистратора 10 интерферограммы. Смещение центра фильтрующей диафрагмы 8 в направлении оси сдвига приводит к формированию интерферограммы, характеризующей сочетание осевых и внеосевых волновых аберраций.

В способе обеспечиваются условия формирования в диффузно рассеянных полях интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины, локализующейся в плоскость мнимого изображения матового экрана и характеризующей волновые аберрации контролируемой телескопической системы типа зрительной трубы Галилея. При этом не образуется по сравнению с прототипом интерференционной картины, обусловленной фазовыми искажениями фронта волны излучения, используемого для освещения матового экрана, из-за оптического несовершенства оптических элементов, формирующих ее, так как в предлагаемом способе фронт этой волны не подвергается никаким изменениям, которые бы привели к формированию интерференционной картины, характеризующей его.

Таким образом, способ интерференционного контроля качества телескопических оптических систем типа Галилея позволяет повысить точность контроля, что подтвердили результаты проведенных испытаний.

Формула изобретения

СПОСОБ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, включающий пропускание плоской когерентной световой волны через диффузный рассеиватель, пропускание диффузно рассеяных волн через контролируемую телескопическую оптическую систему с известной величиной μ увеличения, регистрацию голограммы с помощью плоской опорной волны, освещение голограммы теми же волнами, введение в них взаимных фазовых изменений, проведение пространственной фильтрации в плоскости голограммы, регистрацию интерферограммы бокового сдвига в полосах бесконечной ширины и осуществление контроля качества оптической системы по интерферограммам, отличающийся тем, что взаимные фазовые изменения в световых волнах осуществляют путем сдвига контролируемой оптической системы и голограммы на величины, связанные соотношением
b/a=1-1/μ,
где a и b - величины сдвига контролируемого объекта и голограммы соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1