Устройство для измерения оптических передаточных функций объективов

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения оптических передаточных функций. Сущность: устройство содержит осветитель, тест-объект в виде подвижного растра, коллиматор, расщепитель оптических каналов на основной и сравнения и систему обработки сигналов анализаторов. При этом анализаторы - основной и сравнения - установлены в оптических каналах. Расщепитель оптических каналов установлен перед тест-объектом. Оба анализатора установлены в фокальной плоскости испытуемого объектива. Оптические оси каналов расположены в плоскости, параллельной штрихам растра. Технический результат: повышение точности гироскопа при действии угловых вибраций. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения оптических передаточных функций: функции передачи модуляции и функции передачи фазы, оптической аппаратуры систем космического наблюдения.

Известно устройство для измерения функции передачи модуляции и функции передачи фазы [1], содержащее осветитель, тест-объект в виде щели, коллиматор, два анализатора в виде масок синусоидальной и косинусоидальной формы с установленными за ними фотоприемниками, а также систему обработки сигналов анализаторов. Такое устройство обладает низкой точностью измерений, во-первых, ввиду трудности изготовления с высокой точностью масок сложной формы и, во-вторых, из-за трудности достижения требуемой равномерности освещения щели.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [2], содержащее осветитель, тест-объект в виде подвижного растра, коллиматор, расщепитель оптических каналов на основной и сравнения, анализаторы основной и сравнения, установленные в каналах основном и сравнения соответственно и выполненные в виде щелей с установленными за ними фотоприемниками, и систему обработки сигналов анализаторов. Расширитель каналов выполнен в виде светоделительной плоскопараллельной пластины и установлен за коллиматором. В канале сравнения установлен высококачественный объектив сравнения с симметричной функцией рассеяния точки. Система обработки сигналов содержит фазочувствительное устройство, соединенное с выходами анализаторов, узкополосные электрические фильтры и регистрирующие приборы.

Недостаток известного устройства заключается в низкой точности измерений, в особенности, функции передачи фазы, при контроле длиннофокусных объективов, в частности космических телескопов. Указанный недостаток обусловлен влиянием на результаты измерений неизбежных при контроле вибраций изображения. Другой недостаток заключается в невозможности измерения спектральных характеристик качества изображения, в частности хроматической функции передачи фазы.

Целью изобретения - повышение точности измерений в условиях вибрации изображения.

Другой целью является обеспечение возможности измерения хроматической функции передачи фазы.

Поставленная цель повышения точности измерений функции передачи фазы достигается благодаря тому, что в устройстве, содержащем осветитель, тест-объект в виде подвижного растра, коллиматор, расщепитель оптических каналов на основной и сравнения, анализаторы основной и сравнения, установленные в соответственных каналах и выполненные в виде щелей с установленными за ними фотоприемниками, и систему обработки сигналов анализаторов, в отличие от известного устройства расщепитель оптических каналов установлен перед тест-объектом, оба анализатора установлены в фокальной плоскости испытуемого объектива, и оптические оси каналов расположены параллельно в плоскости, параллельной штрихам растра.

Установка анализаторов в фокальной плоскости испытуемого объектива и расположение оптических осей анализаторов в плоскости, параллельной тест-объекту, известны [1].

Однако в известном устройстве оба анализатора являются основными, а канал сравнения отсутствует, вследствие чего смещения изображения при вибрациях приводят к погрешностям в измерении функции передачи фазы. В предлагаемом устройстве при вибрациях изображения оно смещается в обоих каналах синхронно, вследствие чего относительный фазовый сдвиг между изображениями в каналах основном и сравнения остается постоянным, не зависящим от вибраций. Таким образом, взаимосвязь признаков создает новое свойство - синхронное смещение изображения в каналах основном и сравнения, что обеспечивает возможность повышения точности измерения взаимного фазового сдвига при вибрациях.

Повышение точности измерения функции передачи модуляции в условиях вибраций достигается, благодаря тому, что в канале сравнения за тест-объектом установлена линзовая система, содержащая положительный компонент и установленный за ним отрицательный компонент, передняя и задняя фокальные плоскости которых совмещены с плоскостью тест-объекта, а система обработки сигналов содержит аналого-цифровые преобразователи, генератор импульсов, запоминающее устройство и распределитель памяти, причем выход генератора импульсов соединен со входами запуска аналого-цифровых преобразователей и со входом распределителя памяти, выхода аналого-цифровых преобразователей и распределителя памяти соединены со входами запоминающего устройства, аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами анализаторов, и частота импульсов генератора подчиняется условию

f>4v·Nv(1)

где f - частота импульсов;

v - скорость движения тест-объекта;

N - пространственная частота растра.

Использование аналого-цифрового преобразования изображения в устройствах для измерения оптической передаточной функции известно. Однако в известном устройстве тест-объект выполнен непериодическим, вследствие чего цифровая обработка изображения не позволяет расчетным путем произвести компенсацию вибраций изображения. Совокупность перечисленных признаков обладает новым свойством: регистрируемыми изменениями частоты сигнала, причем благодаря введению линзовой системы эти изменения различны в основном канале и в канале сравнения, что дает возможность отделить влияние вибраций от влияния других погрешностей, в частности погрешности изготовления растра, и скомпенсировать указанные погрешности.

Для обеспечения возможности измерения хроматической функции передачи фазы в устройство введен сменный светофильтр, устанавливаемый в основном канале, например, перед тест-объектом.

Указанный признак в просмотренных источниках информации авторами не обнаружен.

При перемещении тест-объекта могут возникнуть его перекосы; например, если растр нанесен на поверхности диска в виде радиальной кольцевой дорожки, то перекосы могут быть обусловлены радиальным биением диска.

В свою очередь перекосы служат источником погрешностей при измерении функции передачи фазы.

С целью устранения влияния перекосов тест-объекта устройство снабжено вторым каналом сравнения, расположенным симметрично первому относительно оптической оси основного канала. При перекосах искажения фазы, вносимые одним каналом сравнения, равны по величине и обратны по знаку искажению фазы, вносимому другим каналом сравнения, поэтому при суммировании сигналов обоих каналов сравнения погрешности, обусловленные перекосом тест-объекта, взаимно компенсируются. Указанные признаки из уровня техники авторам не известны.

Исходя из вышеизложенного можно считать, что предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия ".

На фиг.1 приведена оптическая схема устройства при работе в режиме измерения хроматической функции передачи фазы. На фиг.2 приведена оптическая схема устройства при работе в режиме измерения функции передачи модуляции.

Устройство содержит источник света 1, конденсор 2, расщепитель оптических каналов 3, сменный светофильтр 4, тест-объект 5, коллиматор 6, испытуемый объектив 7 с фокальной плоскостью 8, анализатор основной 9, анализатор сравнения 10, причем анализаторы включают в себя щели 11 и фотоприемники 12, фазочувствительное устройство 13 и регистрирующий прибор 14. В режиме измерения функции передачи модуляции устройство содержит линзовые системы 15 в каналах сравнения, включающие в себя положительный компонент 16 и отрицательный компонент 17, а также усилители 18, аналого-цифровые преобразователи 19, запоминающее устройство 20, ЭВМ 21, генератор импульсов 22 и распределитель памяти 23.

Тест-объект 5 установлен в фокальной плоскости коллиматора 6. Тест-объект 5 представляет собой диск, имеющий возможность вращения от электродвигателя, на поверхности которого нанесен растр в виде радиальной решетки, расположенной вдоль кольцевой дорожки. Щели 11 анализаторов совмещены с фокальной плоскостью 8 испытуемого объектива 7. Выходы анализаторов 9 и 10 соединены со входами фазочувствительного устройства 13, а выход фазочувствительного устройства соединен с регистрирующим прибором 14. Основной канал объединяет в себе светофильтр 4, участок тест-объекта 5, коллиматор 6, изделие 7 и анализатор основной 9.

Канал сравнения включает в себя другой участок тест-объекта 5, коллиматор 6, изделие 7 и анализатор сравнения 10, а также линзовые системы 15, которые установлены таким образом, что передняя фокальная плоскость положительного компонента 16 и задняя фокальная плоскость отрицательного компонента 17 совмещены с плоскостью тест-объекта 5. Выходы анализаторов 9 и 10 соединены со входами усилителей 18, выходы которых соединены с аналоговыми входами аналого-цифровых преобразователей 19. Запускающие входы аналого-цифровых преобразователей 19 соединены с выходом генератора импульсов 22, который также соединен со входом распределителя памяти 23, а выходы распределителя памяти и аналого-цифровых преобразователей 19 соединены со входами запоминающего устройства 20.

Устройство работает в режиме измерения хроматической функции передачи фазы следующим образом. Источник света 1 конденсором 2 проектируется в зрачок коллиматора 6, освещая участки растра на тест-объекте 5 с помощью светоделителя 3, причем один из них через светофильтр 4. Диск 5 вращается, что обеспечивает равномерное поперечное перемещение растра. В фокальной плоскости 8 испытуемого объектива 7 установлены анализаторы основной 9 и сравнения 10, причем так, что их щели расположены на изображении одной и той же радиальной линии тест-объекта 5: анализатор основной 9 - в пределах участка, освещенного через светофильтр 4, а анализатор сравнения - в пределах изображения другого освещенного участка растра. При наличии хроматизма увеличения объектива 7 при смене светофильтра 4 изменяется поперечный сдвиг изображения на анализаторе основном 9 относительно изображения на анализаторе сравнения 10, что вызывает изменение фазового сдвига сигналов анализаторов, которое преобразуется фазочувствительным устройством 13 и регистрируется прибором 14. При вибрациях изображения их смещения на обоих анализаторах происходит синхронно, поэтому взаимный фазовый сдвиг изображений при вибрациях не изменяется.

В режиме измерения монохроматических функций передачи модуляции и функции передачи фазы устройство работает следующим образом.

Осветительная система 1, 2 и расщепитель каналов 3 через светофильтр 4 освещают три участка растра, изображения которых через коллиматор 6 и изделие 7 проецируются на щели анализаторов 9 и 10. Линзовые системы 15 увеличивают изображение растра, не внося при этом в него расфокусировки, благодаря чему изображения на анализаторах сравнения имеют пониженную пространственную частоту, повышенную модуляцию и увеличенную скорость движения. Сигналы анализаторов усиливаются усилителями 18 и регистрируются с частотой, не менее чем в 4 раза большей частоты первой гармоники сигналов, что определяется частотой импульсов генератора 22. Сигналы в цифровой форме поступают в запоминающее устройство 20, причем распределитель памяти 23 размещает поступающую информацию в трех фиксированных участках памяти запоминающего устройства, заполняя их по сигнальным импульсам генератора импульсов 22.

При наличии погрешностей изготовления растра на тест-объекте 5 и при наличии вибраций изображения в сигналах анализатора появятся случайные погрешности частоты. При этом погрешности частоты, обусловленные вибрациями, зависят от увеличения линзовой системы 15, а погрешности частоты, обусловленные погрешностями изготовления растра, от этого увеличения не зависят.

Таким образом, путем цифровой обработки информации обе указанные погрешности компенсируются. Если монохроматическая функция передачи фазы объектива отлична от тождественного нуля, то ее вид зависит от начального положения изображения, причем считается, что значение этой функции на нулевой пространственной частоте равно нулю. Поэтому для определенности и независимости результатов измерений от начального сдвига изображения в качестве значения функции передачи фазы следует брать разность этих значений для двух частот: рабочей и достаточно малой, но отличной от нуля опорной частоты. Таким образом, получаемой при работе устройства информации достаточно и для определения значений монохроматической функции передачи фазы, поскольку сигналы низкой пространственной частоты обеспечиваются каналами сравнения. При обработке информации сигналы с обоих анализаторов сравнения суммируются, что обеспечивает компенсацию фазовых искажений сигнала сравнения при радиальном биении диска.

Применение предлагаемого устройства позволит повысить точность измерения оптических передаточных функций в условиях вибраций изображения, что необходимо для обеспечения юстировки и испытаний крупногабаритных оптических систем с дифракционным качеством изображения, в частности космических телескопов. Например, при вибрациях изображения с амплитудой 0,05 мм и частотой 10 Гц снижение функции передачи модуляции сократится с 25 до 0,5%. При указанных вибрациях погрешность в измерении функции передачи фазы в известных устройствах превысила бы 100%, в то время как в предлагаемом устройстве она может быть доведена до 2-3%. Использование сменного светофильтра в основном канале обеспечит отработку изделия в широком спектральном диапазоне, причем не только оптических систем, но и фотоэлектрических приемников. Установка в каналах сравнения увеличивающих линзовых систем позволит в 2...3 раза повысить отношение сигнала к шуму в этих каналах, что объясняется уменьшением пространственной частоты и преобладающим влиянием на снижение функции передачи модуляции качества изделия и коллиматора. Использование дополнительного канала сравнения позволяет снизить требования к радиальному биению диска с труднодостижимых значений 1-2 мкм до легкодостижимых значений 40-50 мкм.

Таким образом, применение предлагаемого устройства обеспечит разработку и изготовление таких сложных систем, как космические телескопы, точным и удобным средством контроля качества изображения.

Источники информации:

1. Шульман М.Я. Измерение передаточных функций оптических систем. Л.: Машиностроение, 1980, с. 100-101 (прототип).

2. Slaymaker F.H. Applied Optics, 1973, v. 12, № 11, с. 2709-2715.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения оптических передаточных функций объективов, содержащее осветитель, тест-объект в виде подвижного растра, коллиматор, расщепитель оптических каналов на основной и сравнения, установленные в оптических каналах анализаторы основной и сравнения и систему обработки сигналов анализаторов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности в условиях вибраций изображения, расщепитель оптических каналов установлен перед тест-объектом, оба анализатора установлены в фокальной плоскости испытуемого объектива, а оптические оси каналов расположены в плоскости, параллельной штрихам растра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что за тест-объектом установлена линзовая система, выполненная в виде последовательно расположенных положительного и отрицательного компонентов, передняя и задняя фокальные плоскости которых совмещены с плоскостью тест-объекта, а система обработки сигналов выполнена в виде аналого-цифровых преобразователей, генератора импульсов, распределителя памяти и запоминающего устройства, причем выход генератора импульсов соединен со входами запуска аналого-цифровых преобразователей и со входом распределителя памяти, выходы аналого-цифровых преобразователей и распределителя памяти соединены со входами запоминающего устройства, аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами анализаторов, а частота импульсов генератора f выбрана из условия

f>4vN,

где v - скорость движения тест-объекта,

N - пространственная частота растра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью измерения хроматической функции передачи фазы, в основном канале установлен сменный светофильтр.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введен второй канал сравнения, расположенный симметрично первому относительно оптической оси основного канала.

РИСУНКИ