Устройство для измерения оптической передаточной функции

Устройство для измерения оптической передаточной функции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Сотоа Советскик

Сещиэлистич еских т ЕСВубЛИК

«ii 684367

* @,/ (61) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) заявлено 251078 (2() ) 4747/27-10 (5()М. Кл.

G 01 И 11/00 с присоедмнением заявки М 2414748/10 и

2414749/10 (23) Приоритет

Государственный комнтет

СССР по делам нзобретеннй н открытнй (53) УДК 535. 317..7 (088,8) Опублнковаио 050979. Бюллетень М 33

Дата опубликования опмсания 0509.79 (72) Автор изобретения

Б . Я,Герлонин (71) Заявитель (5 4 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ

ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля качества оптическ их с ист ем, в олн овые аберрации которых не превышают длины световых волн более,чем в 2-3 раза, например, микроскопов.

Известны устройства, содержащие испытуемую оптическ ую с истему 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 значении пространственной частоты. Для измерения модуля оптической передаточной функции при другом значении необходимо предварительно произвести перенастройку устройства (1).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является, устройство, содержащее узкий объект, освещенный монохроматическим светом, испытуемую оптическую систему, поверхнос:ь, чувствительную к световому потоку, например фотокатод диссектора, установленную в плоскости, сопряженной с плоскостью объекта, ксторая электронными пучками проектируется в плоскость пластинки со щелью, выделяющейся из электронного изображения узкую полоску, параллельную изображению.

Поток электронов, пролетевших через щель, создает ток, который усиливается и воздействует на измерительную схему. Сканирование изображения, получаемого с помощью испытуемой оптической системы, осуществляется разверткой электронных пучков в поперечном к изображению направлении.

К полученному при сканировании снгЗО налу применяется преобразование

684 367

Фурье, осуществляемое электрически, и результат воспроизводится на экра— не осциллографа (2) .

Недостатк ом оптическ oi.o устройств а является его невысокая точность, так как изображающие свойства электронных пучков плохо поддаются оценке, и низкое быстродействие, обусловленное сложностью схемы обработки сигналов, поэтому частота развертки луча на экране осциллографа не превышает

10 Гц, что воспринимается наблюдате— лем как мигание, а не как ровное све— чение, и приводит к его быстрому утомлению.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и быстродействия устройства.

Эта цель достигается тем, что в плоскости, сопряженной с плоскостью тест-объекта, неподвижно относитель— но изображения тест-объекта установ— лен непрозрачный экран со щелями, параллельными изображению и распо— ложенными друг от друга на расстоянии, равном

Л е= — —-4я1п х где 0 — расстояние между соседними щелями у длина волны монохроматического света; апертурный угол пучка лучей, сходящегося на экране, за которым расположена оптико-электрическая система обработки сигналов, осуществляющая гармонический синтез оптической передаточной функции в виде суммы набора произведений значений функции распределения освещенности в точках, соответствующих щелям экрана, на гармоническую функцию.

Распределение освещенности в изображении тест-объекта описывается функцией рассеяния линии, являющейся обратным преобразованием Фурье от оптической передаточной функции.

В силу того, что оптическая передаточная функция тождественно равна нулю вне определенного конечного промежутка, значения функции рассеяния линии в точках, отно"ящих друг от друга на расстоянии 1, определяемой формулой (1), являются коэффициентами ряда Фурье от оптической передаточной функции. Таким образом, световые потоки, прошение через отдельные щели экрана, пропорциональны коэффициентам ряда Фурье от оптической передаточной функции.

Оптико-электрическая система обработки сигналов реализует частную сумму ряда Фурье, суммиру проиэведения коэффициентов ряда на гармони— ческие функции синусоидального или косинусоидального вида.

Умножение коэффициентов ряда

Фурье на гармонические функции дости5

l0

)5

30 C

4п

05 гается за счет того, что за или пе— ред экраном в непосредственной бли—

3 .лс TH от него установлен оптический элемент с пропусканием, меняющимся вд пь щелей экрана по гармоническим законам с частотами, составляющими арифметическую прогрессию. Кроме того, оптикс электрическая система обработки сигналов содержит модулятор, установленный перед общим фотоприемником с воэможностью вращения, м ь вращения которогo перпендикулярна направленик щелей экрана и расположена на расстоянии не меньше, чем

Зt oi ближайшей щели.

Модулятор имеет ряд радиальных щелей, расположенных под равным углом друг к другу. При вращении модулятора проекция одной из его щелей на плоскость непрозрачного экрана проходит сразу вдоль всех щелей экрана. Таким образом, суммарный свеrовой поток, прошедший через все щели непрозрачного экрана, через од— ну щель модулятора и через оптичес— кий элемент, пропорционален значению частной суммы ряда Фурье от оптической передаточной функции, поэтому ей же пропорционален и сигнал фотоэлектрического приемника. Расчеты показывают, что расположение оси вращения на расстоянии не меньшем, чем 3 6 от ближайшей щели, является необходимым условием для достижения приемлемой точности измерений.

Вместо модулятора с фотоэлектрическим приемником устройство может содержать 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 с гармоническим пропусканием и сканирующего фотоприемного устройства оптико-электрическая система обработки сигналов может содержать зеркальный цилиндр, установленный за непрозрачным экраном параллельно его щелям, и совокупность фотоэлектрических приемников, выходы которых соединены с аналоговыми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу °

Зеркальный цили ндр напра вл яет свет от каждой отдельной щели на один из фотоприемников, который вырабатывает постоянный сигнал, пропорциональный соответствующему коэффициенту ряда Фурье от оптической передаточной функции. Этот сигнал, поданный на первый вход аналогового умножителя, умножается на синусоидальный сигнал, амплитуда которого одна и та же для всех аналоговых умножителей, а частота зависит от умножителя, но кратна частоте развертки луча в осциллографе, поданной (84 «67 на другой вход аналогового умножителя, а сумматор суммирует промодулированные сиг.налы. При модуляции постоянных сигналов синусоидальными сигналами реализуется мнимая часть оптической передаточной функции, а при модуляции косичусоидальными сигналами реализуется ее реальная часть.

Модулирующие сигналы можно получить из генератора развертки осциллографа с помощью узкополосных зл ктри— ческих фильтров, фазосдвигающих элементов и усилиiелей.

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 «ропускания 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, ана— логоными 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

6, 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, модулирующий яркость в продольном к щелям направлении. 3а оптическим элементом 7 расположен модулятор 8 в виде диска с прорезями 9, проекции которых на плоскость непрозрачного экрана 5 пересекают сразу все щели 6. 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 частной сумме ряда Фурье от оптической передаточной функции .

Этот световой поток направляется на фотоэлвк грический приемник 11, соединенный с осциллографом 12, на экране которого воспроизводится

5 осциллограмма частной,. суммь«ряда

Фурье. На фиг.3 представлены графики пропускания оптического элемента

7 в случае, когда число щелей равно семи и измеряется мнимая часть оптиl0 ческой передаточной функции. Функции пропускания щелей могут быть ныраже— ны уравнениями:

+ .и З«гл )

2 T

У вЂ” (1+sin — )

2(гх (3) (кривая 14)

15 (2) (кривая 13)I

У= — (1tsin ) «гх

2 Т (4) (кривая 15), (5) (кривая 16), (6) (криная 17), (7) (кривая l8) (8) (кривая 19), У Л

c>0

У= — (1 — sin ) «Х и

Т

V= — „(1-sin " ) у= — (1-s in )

2 Т

25 где x — текущая координата вдоль щели;

Т вЂ” дли н а щели;

У вЂ” пропускание светоного потока;

30 число, примерно равное

3, 14159265358979323846264 .

Для измерени я реальной части о««ти— ческой передаточной фун кции пропускавЂ

35 ния вдоль щелей должны меняться по к<— си ну со «дальным з а конам. Вариант у строй— стна с диссектором (фиг.4) содержит монох роматичес кий источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект

3 в виде линии, испытуемую оптичес-1и кую систему 4, непрозрачный экран 5 со щелями 6, оптический элемент 7 сменяющимся вдоль щелей по гармони— ческим законам пропусканием, диссектор 20, имеющий устройство развертки изображения 21 и диафрагму 22 н виде щели, расположенную н плоскости электронного изображения, генератора напряжения развертки 23 и осциллограф 12 .

Диафрагма 22 расположена перпендикулярно щелям 6, а устройство раз— вертки 21 осуществляет сканирование диафрагмой 22 электронного изображения, соответствующего оптическому

55 изображению после экрана 5 и опти— ческого элемента 7, в направлении вдоль щелей 6. На выходе диссектора 20 образуется сигнал, пропорциональный реальной или мнимой части. оптической передаточной фу «кци««, к<— торый подается на вход осциллогра— фа 12 . Развертка луча н ос циллогра— фе 12 и разверт«<а электронного изото†ражения н диссекторе синхронизированы благодаря питанию от одного генератора 23.

684367

Вариант устройства с несколькими фотоэлектрическими приемниками, аналоговыми умножителями и сумматором (фиг. 5) содержит монохроматический источник 1 света, осветительную систему 2, тест-объект 3 в виде линии, испытуемую оптическ ую систему 4, непрозрачный экран 5 со щелями 6, зеркальный цилиндр 24, ряд фотоэлектрических приемников 11, ряд электрических узкополосных фильтров

25, ряд фазосдвигающих элементов 26, ряд усилителей 27, ряд аналоговых умножителей 28, сумматор 29, генера— тор 30 пилообразного напряжения и осциллограф 12.

Зеркальный цилиндр 24 направляет свет от каждой из щелей б на один из фотоэлектрических приемников 11, выходы которых соединены с первыми входами аналоговых умножителей 28, на вторые входы которых подаются синусоидальные или косинусоидальные напряжения одинаковой амплитуды, получающиеся из генератора 30 пилообразного напряжения с помощью узкополосных фильтров 25, фаэосдвигающих элементов 26 и усилителей 27, Узкополосные фильтры 25 настроены на частоты, кратные частоте развертки луча в осциллографе 12, Усилители 27 выравнивают амплитуды выделенных гармонических составляющих пилообразного сигнала, аналоговые умножители 28 осуществляют модуляцию постоянных сигналов от фотоэлектрических приемников 11; промодулированные сигналы суммируют сумматором 29, и суммарный сигнал подается на вход осциллографа 12.

Устройство обеспечивает высокую точность и скорость измерений, в силу чего оно может с успехам применяться для юстировки и контроля оптических систем, в частности микроскопов и микрообъектов, непосредственно в цеховых условиях, причем оно позволяет оценивать не только симметричные . аберрации, но также хроматизм увелич ени я и другие .

Формула изобретения

1. Устройство для измерения оптической передаточной функции, содержащее тест-объект в виде линии, освещаемой через оптическую систему монохроматическим светом, испытуемую оптическую систему, фотоэлектрическую приемную систему и осциллограф, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродеЙствия, в плоскости, сопряженной с плоск остью тест-объекта, неподвижно относительно изображения тестобъекта установлен непрозрачный экран со щелями, параллельными изоб.ражению и расположенными друг от друга на расстоянии, равном

Ip где Р— расстояние между соседними щел ям и;

Л- длина волны монохроматичес— кого света; ц .- апертурный угол пучка лучей, сходящегося на экране,за которым расположена оптико-электрическая система обработки сигналов, осуществляющая гармонический синтез оптической передаточной функции в виде суммы набора произведений значений функции распределения освещенности в точках, соответствующих щелям экрана, на гармоническую функцию °

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что эа или перед экранам установлен оптический элемент с пропусканием, меняющимся вдоль щелей экрана по гармоническим законам с частотами, составляющими арифметическую прогрессию.

30 3. Устройство по пп ° 1,2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оптико-электрическая система обработки сигналов содержит модулятор, установленной перед общим фотоэлектри3 ческим приемником с возможностью вращения, ось которого перпендикулярна направлению щелей экрана и расположена на расстоянии не меньшем, чем 32 от ближайшей щели.

4) 4 . VcTpoAcтво по пп ° 1р2, О тл и ч а ю щ е е с я тем,что оптико-электрическая система обработки сигналов содержит диссектор со щелью, перпендикулярной щелям экра45

5. Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оптикоэлектрическая система обработки сигналов выполнена в виде зеркального цилиндра, направляющего свет от каждой щели экрана на один из фотоэлектрических приемников, выходы которых соединены с аналоговыми умножителями, подключенными через сумматор к осциллографу.

55 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании 9 970369, кл. Ci 1 А, опублик. 1964.

2. Патент Франции М 2151262, кл . G 01 М 11/00,опублик.1973 (npoTQTHt;I

Составитель В . Белоусов

Техред С . Ми гай корректор Г.Решетник

Редактор И.Марховская

Заказ 5273/33 Тираж 1090 П одпи сное

ЦНИИПИ Государственного ксмитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r.Óæroðîä, ул.Проектная,4