Устройство для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем и элементов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ по .авт. св. № 744240, отличающеес я тем, что, с целью повьйиения точности измерений за счет исключения искажений, вносимых излучением, отраженным от преломлякяцих поверхностей исследуемых систем и элементов, посредством частотной селекции полезного сигнала и за счет повьшения отношения сигнал-шум посредством уменьшения эффективной шумовой полосы фотоприемника, в него дополнитель .но введены первая поглощающая заслонка , связанная с автоколлимационным зеркалом, и вторая поглощающая заслонка , привод поочередного ввода-вывода в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, а также второй поглощающей заслонки с фиксированной частотой , узкополосный электрический фильтр, частота пропускания которого равна указанной фиксированной частоте , измеритель сигналов переменного тока и программный блок, причем вторая поглощающая заслонка установлена между автоколлимационным зеркалом со связанной с ним первой поглощающей заслонкой и плоским зеркалом, между фотоприемным устройством и цифi ровым вычислителем последовательно включены узкополосный злектрический фильтр и измеритель сигналов переменного тока, при этом выход датчика положения барабана длин волн монохроматора подключен к входу программного блока, первый выход которого соединен с приводом ввода-вывода, а второй выход подключен к входу цифN5 N5 X) рового вычислителя. О 30

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1

3(59 С 01 1 1/20, 4ЙФВду »

en c sve и оБИт ни ;"

H АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ л

° °

° ° госудмственный номитет ссср

ПО ДЕЛАМ ИЗОБ1 ЕТЕНИй И ОТМЪТИй (61) 744240 (21) 3631648/24-25 (22) 09.08.83 (46) 07.11.84.Вюл. 41 (72) И.А.Киселев, А.С.Панфилов и И.А.Сеславинский (53) 535.341 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 744240, кл. (01 J 1/20, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТОВ GBI ;TOIIPOII7CKAHHH OIIТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ по .авт. . св. 11* 744240, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет исключения искажений, вносимых излучением, отраженным от преломляющих поверхностей исследуемых систем и элементов, посредством частотной селекции полезного сигнала и за счет повышения отношения сигнал-шум посредством уменьшения эффективной шумовой полосы фотоприемника, в него дополнительно введены первая поглощающая заслонка, связанная с автоколлимационным зеркалом, и вторая поглощающая заслонка, привод поочередного ввода-вывода в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, а также второй поглощаю" щей заслонки с фиксированной частотой, узкополосный электрический фильтр, частота пропускания которого равна указанной фиксированной частоте, измеритель сигналов переменного тока и программный блок, причем вторая поглощающая заслонка установлена между автоколлимационным зеркалом со связанной с ним первой поглощающей заслонкой и плоским зеркалом, между фотоприемным устройством и цифровым вычислителем последова ельно включены узкополосный электрический фильтр и измеритель сигналов переменного тока, при этом выход датчика положения барабана длин волн монохро матора подключен к входу программного блока, первый выход которого соединен с приводом ввода-вывода, а второй выход подключен к входу цифрового вычислителя.!

122898

Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для измерения характеристик оптических элементов и систем в лабораторных или цеховых условиях в процессе производства огтических приборов, например многозональных сканирующих радиометров. По основному авт.св.

N> 744240 известно устройство для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем и элементов,содержащее коллимированный источник излучения, светоделительный элемент, автоколлимационное зеркало и фотоприемное устройство, в котором источник излучения выполнен в виде монохроматора, выходная щель которого совмещена с фокальной плоскостью объектива коллиматора, между светоделительным элементом и фотоприемником установлена телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен со светочувствительной площадкой фотоприемника, а входной зрачок. — с диафрагмой, за котовой нормально к оптической оси установлено плоское зеркало, обращенное отражающей плоскостью к автоколлимационному зеркалу, при этом плоское и автоколлимационное зеркала установлены с возможностью Bblsopa из хода световых лучей, а барабан длин волн монохроматора снабжен датчиком положения, выход которого совместно с выходом фотоприемного устройства подключен

35 к цифровому вычислителю jl) .

Недостатком известного устройства является пониженная точность измерений, обусловленная искажениями регистрируемого сигнала. Эти искажения обусловлены излучением, отраженным от преломляющих поверхностей контралируемой системы, распространяющимся в оптическом тракте устройства>и одновременно с полезным сигналом, попадающим на чувствительную площадку фотоприемника.

Снижение точности особенно велико в инфракрасном диапазоне„ где используются материалы с большими показателями преломпения,и, следовательно, интенсивность излучения, отраженного преломпяющими поверхностями, увеличивается.

Другим недостатком известного уст-5 ройства является большое количество ру> них операций перестановки и регу;1нровки автоколлимационного зеркала, повторяемых при катдом измерении на всех контролируемых длинах волн.Это обуславливает высокую трудоемкость и низкую производительность процесса измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения искажений, вносимых излучением„ отраженным от преломляющих поверхностей исследуемых систем и элементов, посредством частотной селекции полезного сигнала и за счет повышения. отношения сигнал-шум посредством уменьшения эффективной шумовой полосы фотоприемника.

Дпя достижения указанной цели в устройство для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем н элементов, содержащее коллимированный источник излучения, светоделительный элемент, автоколлимационное зеркало и фотоприемное устройство, в котором источник излучения выполнен в виде монохроматора, выходная щель которого совмещена с фокальной плоскостью объектива коллнматора, между светоделительным элементом и фотоприемником уста.ювлена телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен со светочувствнтель. ной площадкой фотоприемника., a входной зрачок — с диафрагмой, за которой нормально к оптической оси установлено плоское зеркало, обращенное отражающей плоскостью к автоколлимационному зеркалу, при этом плоское и автоколлимационное зеркала установлены с возможностью вывода из хода световых лучей, а барабан длин волн монохроматора снабжен датчиком положения, выход которого совместно с выходом фотоприемного устройства подключен к цифровому вычислителю, дополнительно введены первая поглоцающая заслонка, связанная с автоколлнмационным зеркалом, и вторая поглощающая заслонка, привод поочередного ввода-вывода в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, а также второй поглощающей заслонки с фиксированной частотой, узкополосный электрический фильтр, частота пропускания которого равна указанной фиксированной частоте, измеритель сигналов переменного тока и программный блок, причем втсрая поглощающая зас>тонка установлена между asтоколлима11228

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства для измерения

Я алисиным зеркалом со связанной с ним первой поглощающей заслонкой и плоским зеркалом, между фотоприемным устройством и цифровым вычислителем последовательно включены узкополосный электрический фильтр и измеритель сигналов переменного тока, при этом выход датчика положения барабана длин волн монохроматора подключен к входу программного блока,пер- !!! вый выход которого соединен с приводом ввода-вывода, а второй выход подключен к входу цифрового вычислителя.

Сущность изобретения заключается в том, что наличие в устройстве двух поглощающих заслонок и привода,обеспе чивающего по командам программного блока поочередный, с фиксированной частотой ввод-вывод в световой поток первой поглощающей заслонки и автоколлимационного зеркала, установленных на входе исследуемых систем и элементов,или второй поглощающей заслонки, установленной на выходе таких систем, позволяет осуществить модуляцию соответственно подающего или прошедшего исследуемую систему излучения и сигналов фотоприемного устройства. Наличие в электронном тракте настроенного на фиксированную частоту модуляции узкополосного фильтра позволяет обеспечить отстройку измеряемых сигналов от.помех вносимых внешними зас9

35 веткаьж, рассеянным и отраженным от преломляющих поверхностей светом, дрейфовыми процессами и наводками в электрических цепях, так как составляющие частотного спектра перечис-40 ленных помех отличаются от частот пропускания узкополосного фильтра и отфильтровываются им, не внося искажений в измеряемый сигнал. При этом осуществление модуляции свето 45 вого потока с помощью автоматически действующего, управляемого программным блоком привода, который с заданной частотой приводит в движение элементы устройства (в том числе автоколлимационное зеркало),исключает необходимость выполнения многократных ручных операций по перестановке и регулировке автоколлимационного зеркала. ко:.фф1:,-„иентов светопропускания оптических систем и элементов.

Устройство включает монохроматор

1, объектив 2. коллиматора, светоцелительную пластину 3, диафрагму 4, автоколлимационное зеркало 5,плоское зеркало 6, телескопическую систему

7, фотоприемное устройство 8, дат- . чик 5 положения барабана длин волн монохроматора, цифровой вычислитель !

0, первую и вторую поглощающие заслонки 1! и 12, привод 13 поочередного ввода поглощающих заслонок и автоколлимационного зеркал- 5 в световой поток, программныи блок .14, узкополосный фильтр 15 и измеритель сигналов переменного тока 16.Положение исследуемой оптической системы или оптического элемента обозначено 17.

Устройство работает следующим образом.

После предварительной юстировки, которая заключается в установке плоского зеркала б в фокальной плоскости исследуемой оптической системы 17 на монохроматоре 1 выставляется контролируемая длина волны 7! . При этом сигнал с датчика 9 барабана длин волн монохроматора, информирующий об установке требуемой длины волны, поступает на цифровой вычислитель

10 и на программный блок 14, по команде которого цифровой вычислитель включается в режиме ввода сигнала, а привод включается в первом режиме работы, при котором он обеспечивает поочередный ввод-вывод в световой поток с фиксированной частотой f автоколлимационного зеркала 5 и связанной с ним первой поглощающей заслонки 11. При введенном в ход лучей автоколлимационном зеркале 5 и выведенной первой заслонке 11, излучение монохроматора 1, коллимированное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4,отражается от плоского зеркала 6, вновь проходит диафрагму 4, отражается от светоделительной пластины 3 и формируется телескопической системой 7 на фотоприемном устройстве 8.

При введенной в ход лучей первой поглощающей заслонке !1 и выведенном автоколлимационном зеркале 5, монохроматора 1, коллимированное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4, падает

1122898 на первую заслонку 11 и поглощается на ее поверхности. Таким образом, излучение„ направляемое на вход исследуемой системы, поочередно отражается автаколлимационным зеркалом 5

5 в оптический тракт устройства и возбуждает сигнал фотоприемного устройства и поглощается первой заслонкой 11 и не достигает фотоприемного устройства. При этом с фиксированной частотой f+ осуществляется модуляция светового потока, направляемого на вход исследуемой системы и соответствующего ему сигнала фотоприемного устройства. С фотоприемного устройства .сигнал поступает на узкополосный фильтр, настроенный на частоту Е„ . Ha выходе фильтра выделяетл ся составляющая сигнала, отстроенная от шумов и помех, частоты кото рых лежат вне поло сы пропускания g f фильтра. Далее сиг-, нал поступает на измеритель сигналов переменного тока„ и затем

25 на вход цифрового вычислителя,, в запоминающем устройстве которого фиксируется измеренная величина U

Через заданный интервал времени программный блок Формирует команду, по которой цифровой вычислитель вклю- о чается в реяли ввода сигнала U а привод включается во втором режиме работы, при котором он обеспечивает ввод-вывод второй поглощающей заслонки 12 в световой ноток с часто- 35 тай Е„,(при выведенных первой заслонке ll и автоколлимацианном зеркале 5). При выведенной из хода лучей второй заслонке 12 излучение монохроматора 1, коллимированнае объективом 4О

2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4, исследуемую систему 17 (причем часть потока отражается п1 еломляющими поверхностями контролируемой системы в обратном 4 направлении), отражается плоским зеркалом б, снова проходит исследуемую систему, и вместе с отраженным прелоипяющим излучением проходит диафрагму 4, отражается светоделительной пластиной 3 и формируется телескопической системой 7 на фотоприемном устройстве 8. При этом на фотоприемное устройство одновременно поступают и излучение, дважды прошедшее контролируемую систему, и излучение, отраженное от ее преламляющих поверхностей. При введенной в ход лучей второй поггащающей заслонке 2, излучение монохраматора 1. коллимира ванное объективом 2, проходит светоделительную пластину 3, диафрагму 4, исследуемую систему 17. (при мм часть патака отражается преламляющими поверхностями в обратном направлении) и паглощаетси на второй заслонке !2.

На фотоприемное устройства поступает только излучение, отраженное преламляющими поверхностями контролируемой системы.

Таким образом, во втором режиме работы на фотоприемное устройство поочередно поступает излучение,дважды прошедшее исследуемую систему, плюс излучение, отраженное ее прелампяющими поверхностями или же талька излучение, отраженное прелагляющими поверхностями исследуемой систer-:, .

Так как модулированная састаи яющая равна разности потоков, папгдающил на фотоприемное устройства при введенной и при выведенной заслонке, то в этом случае в устройстве модулируется толька поток, дважды прошедший контролируемую систему, а поток, отраженный прелокляющими поверхностями, остается немадулираванным.

С выхода фотоприемного устройства сигнал поступает на узкополосный фильтр !5, осуществляют:,ий атстрайку ега полезной модулированной составляющей от шуман и помех, ча"та гы спектра которых лежат вне паласы TIpo пускания фильтра. и в том числе ат немадулированнага сигнал, соответствующего отражению от греламляющих поверхностей исследуемой системы

Далее сигнал поступает на измеритель переменного тока и затем на вход цифрового вычислителя, в запоминающем устройстве которого фиксируется не1 личина U . .Через зацанный интервал

I времени йа команде, формируемой программным блоком, привод ввода-вывода выключается, а цифровой вычислитель производит вычисление значения коэффициента пропускания па формуле л ГUÿ

П,„

После этого на манахраматоре выставляются следующие значения длин волн и измерения повторяются требуемое количество раэ. При зтам при каждом измерении обпесгечивается атстрайка модулированного <игнала ат искажений., вносимых немадулированным иэлуIl22898 чением, что обеспечивает повышение точности измерений.

Конкретное выполнение устройства для измерения коэффициентов светопропускания оптических систем и элементов может быть осуществлено согласно схеме, приведенной на чертеже с использованием промышленно выпускаемых приборов и элементов. При 10 этом в качестве монохроматора I может использоваться монохроматор ЯДР-23, снабженный датчиком 9 положения барабана длин волн„ в качестве объектива коллиматора 2 — линзовый объек- 15 тив или внеосевое параболическое зеркало; в качестве светоцелительной пластины 3 может быть использована кварцевая или флюоритовая плоскопараллельная пластина с полупрозрач- 20 ным алюминиевым покрытием. Диафрагма

4 может быть выполнена ирисовой (это облегчает согласование апертуры устройства и зрачка контролируемой системы), автоколлймационное зеркало 5 и зеркало 6 — плоские с наУ

I ружным отражающим покрытием, а телескопическая система 7 — линзовая, рассчитанная на рабочую область спектра. В качестве фотоприемника 8 30 могут быть использованы фотоумножители или фотоциоды. В качестве узкополосного фильтра 15 используется индуктивно-емкостной полосовой фильтр, а измерителем сигналов пере- 35 менного тока может служить цифровой . вольтметр В3-24. В качестве цифрового вычислителя может быть использована микро-ЭВМ "Электроника 60М".

Элемент 12 выполняется в виде одно- 40 или многолопастного обтюратора, .а элементы 5 и ll — в виде зеркального диска с наполовину зачерненной отражающей поверхностью. Привод может быть выполнен в виде двух синхронных 45 двигателей, кажцый из которых привот-..ит во вращение обтюратор или эеркальнык диск. При этом двигатель, вращающий диск, должен быть снабжен, например, соленоидным механизмом установки зеркального диска в световой поток. Программный блок может быть выполнен в виде двух последовательно срабатывающих реле времени.

Инструментальная погрешность описанного реального устройства определяется как сумма случайной ошибки и неучтенной систематической погрешности элементов и составляет о,„=17..

При измерениях коэффициентов пропускания плоско-выпуклой линзы (радиус ы кривизны К =а R = -100 мм тол.

Э Я

У щина 3 10 мм, показатель преломления n=l 5163) на длине волны 4 = 0,55 мкм погрешность полученного значения л ь = 0,91 составила 17. Измерения аналогичной линзы по известному устройству позволяют обеспечить точность только 3,37.. С ростом показателя преломления (например в германиевых линзах), относительная точность устройства по прежнему составляет wl7., в то время как погрешность при измерениях в известном устройстве достигает 437..

Использование предлагаемого устройства для контроля характеристик оптических элементов и систем при их изготовлении, сборке и регулировке в процессе производства оптико-электронных приборов способствует повьппению точностных характеристик этих приборов °

Благодаря автоматизации и увеличению производительности измерения,описанное устройство позволяет обеспечить осуществление непрерывного контроля параметров оптических элементов и систем на всех этапах технологического процесса производства.

i l 22898

Составитель В.Калечиц

Техред М. Гергель

Редактор

Л.Лосева

Корректор H. Король

Филиал 11ПП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, Заказ 8127/33 Тирам 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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