WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Итак, диафрагма Гартмана (рис.15) устанавливается в зрачке исследуемого объектива; отверстия выполняются круглыми, оптимальный их диаметр выбирается из соотношения d = 0,005 - 0,0025 f' ; где f' - фокус исследуемой системы или расстояние от зрачка до точки схождения лучей.

Далее на фотопластинках (гартманограммах) измеряют координаты следов пучков лучей (пятен).

Рис.15. Метод Гартмана Пусть (рис.16) :

d - расстояние между предфокальным и зафокальным положениями фотопластинок;

a - расстояние между следом оптической оси и следом данного луча (пятном) на предфокальной фотопластине A ;

b - соответствующее расстояние на зафокальной фотопластинке.

Тогда, в упрощенном рассмотрении, расстояние от A до точки I пересечения данного луча с осью может быть найдено из выражения:

a x = d (1).

a + b Достоинства метода:

1. Возможность количественного определения (измерения) аберраций и деформации волнового фронта.

2. Метод прост (используется точечный источник света, диафрагма и две фотопластинки).

3. Метод позволяет исследовать параметры оптической системы прибора непосредственно по наблюдаемому объекту, то есть в рабочем положении.

Недостатки метода:

1. Отсутствие наглядности.

2. Необходимо измерение координат пятен гартманограммы с точностью порядка 1 мкм; для этого применяется дорогостоящая двумерная измерительная машина (например “Ascorecord”).

Фундаментальным недостатком является пространственная дискретность данных по зрачку, так как метод построен на выделении из общего волнового Рис.16. Схема метода Гартмана фронта отдельных пучков лучей. Есть пространственный предел интервала, с которым можно расположить отверстия. Получается лишь информация о макродеформациях волнового фронта; информация о мелкоструктурных деформациях поверхности здесь отсутствует.

3. Виброчувствительность: если элементы схемы вибрируют, то будет вибрировать и пятно рассеяния, а следовательно и все пучик лучей синхронно, что приводит как дополнительной нерезкости пятен гартманограммы и снижает точность измерений. Если имеются флуктуации воздушного тракта, а значит и волнового фронта, то пятна будут вибрировать случайным образом, что также снижается точность измерений.

3.3.1. Интерферограмма Для оптического контроля и измерений необходимо использовать экспресс-методы, обеспечивающие точную количественную информацию обо всем исследуемом фронте волны. Более полную количественную информацию о волновом фронте можно получить интерферометрическим методом. Так, волновой фронт может быть в принципе оценен с интервалом /n, где -длина световой волны источника, а n-число проходов лучей через систему Начало ХХ века ознаменовалось развитием методов бесконтактной интерферометрии. В 1918 году Твайман [5] сообщил о методе интерферометрии аберраций объективов и ошибок оптических поверхностей. Суть состояла в сравнении плоского опорного волнового фронта с фронтом от исследуемой системы или поверхности, форма которого приведена к плоской для случая отсутствия ошибок. Таким образом, проблема исследования оптической системы ставится как задача непосредственного выявления и измерения деформаций, претерпеваемых поверхностью волнового фронта.

Интерферометрия позволяет, при точно сфокусированном интерферометре, получить интерференционную картину, подобную топографической карте профиля ошибок исследуемой волновой поверхности, где горизонтали (изолинии уровня) представлены в виде полос с интервалом, кратным длине световой волны.

При поперечной расфокусировке интерферометра, предложенного Твайманом, возникает система полос, форма каждой из которых соответствует профилю ошибок волнового фронта в данном сечении зрачка.

Рис.17. Интерферометр Тваймана для исследования объектива 1 - лазер, 2 и 3- осветительная система, 3 - светофильтр, 4 - точечная диафрагма, 5 - коллиматорный объектив, 6 - светоделитель, 7 - исследуемый объектив, 8 - автоколлимационное сферическое зеркало, 9 - центр кривизны автоколлимационного сферического зеркала, 10 - образцовое плоское зеркало, 11 - объектив наблюдательной системы, 12 - наблюдательная диафрагма, 13 - приемник изображения (например - глаз).

Таким образом, интерферометрия соединяет достоинство наглядности теневого метода и возможности количественных оценок и измерения деформаций волнового фронта, присущие методу Гартмана.

Твайман предложил на основании сведений о форме волнового фронта рассчитывать интенсивность светового поля, заложив таким образом основу косвенного метода экспериментального исследования качества оптической системы. Схема интерферометра Тваймана показана на рис.17.

На теоретически возможной точности интерферометрического метода часто отрицательно сказывается его чувствительность. Она снижается, например, если среда между контролируемой и эталонной системами турбулентна или если контролируемая система колеблется относительно эталонной.

Влияние турбулентности воздуха обычно устраняют, контролируя систему в камере с частичным вакуумом. Воздействие вибраций можно уменьшить до допустимого уровня применением противовибрационных устройств.

Впрочем, такое решение становится экономически неоправданным при контроле систем большого диаметра или с большим фокусным расстоянием. В этих случаях полезно использовать скоростную регистрацию интерференционной картины (например, видеозапись) и последующую покадровую расшифровку [4].

Практика показала, что такой прием позволяет устранить вредное влияние вибрации и существенно повысить точность интерферометрии.

4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ 4.1. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ НАВОДКИ Основное свойство оптического прибора - построение оптического изображения.

В процессе измерительных наводок при помощи измерительных зрительных труб, микроскопов, интерферометров (или других оптических измерительных приборов) для выполнения измерений используются оптические измерительные изображения.

Например, в геодезических измерениях изображение шкалы нивелирной рейки совмещается в фокальной плоскости объектива нивелира со штрихом окулярной сетки.

Мы видим, что происходит совмещение оптического измерительного изображения, которым наводятся (изображения измерительной марки) с оптическим изображением объекта, на которое выполняется измерительная наводка. Итак, измерительное наведение (наводка) есть процесс совмещения элементов двух оптических измерительных изображений - изображения значащего элемента объекта с отсчетной точкой (или линией) в изображении измерительной марки. Физически такое совмещение осуществляется на чувствительной площадке приемника изображения (при визуальных измерительных наводках – на сетчатке глаза).

В качестве отсчетной марки обычно выступает перекрестие, штрих или биссектор сетки окуляр-микрометра.

Поперечная наводка - совмещение двух оптических измерительных изображений при их взаимном перемещении поперек оптической оси.

Продольная наводка - совмещение двух оптических измерительных изображений вдоль оптической оси.

Измерения всегда дают лишь приближенные значения измеряемой величины. Степень приближения результата измерения к истинному значению, то есть точность измерения, характеризуется найденными значениями погрешности измерения при заданной вероятности.

Рассмотрим идеализированный случай. Если бы процесс измерительной наводки был выполнен без погрешности, мы имели бы нулевые смещения оптического измерительного изображения объекта относительно оптического измерительного изображения марки.

Однако, в силу действия дифракционных явлений в процессе формирования любого оптического изображения, существует явление фундаментальной нерезкости оптического изображения (даже при использовании оптической системы, в которой практически отсутствуют аберрации).

В результате действия этой фундаментальной нерезкости процесс оптической измерительной наводки всегда сопровождается погрешностью наведения при определении пространственной координаты изображения.

Как показали исследования [4], такая погрешность связана с градиентом перепада интенсивности и другими структурными особенностями оптического измерительного изображения.

4.2. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОПЕРЕЧНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ НАВОДОК ОТСЧЕТНЫХ ТРУБ И МИКРОСКОПОВ Итак, в приборах, использующих оптико-измерительное изображение первого рода, одним из основных узлов обычно является зрительная труба или микроскоп. В процессе измерения перекрестие прибора совмещается с изображением объекта (или тест-объекта) в поперечном направлении путем поперечных смещений или поворотов (поперечные измерительные наводки).

В другом случае требуется установить перекрестие прибора и изображение объекта в одной плоскости, т.е. сфокусировать оба изображения на одновременную резкость. Так выполняется продольная измерительная наводка.

Присутствие при продольных наводках перекрестия (сетки) в фокальной плоскости окуляра в измерительных приборах необходимо также для фиксации плоскости аккомодации глаза, чтобы аккомодация не вносила неопределенности в отсчеты.

Итак, оптическая измерительная наводка - это процесс взаимного позиционирования, то есть совмещения, элементов двух изображений:

а) того, на которое наводятся (изображение измеряемого объекта);

б) того, которым наводятся (изображение измерительной марки).

Оптическое измерительное изображение объекта строится объективом оптического измерительного прибора (зрительной трубы или микроскопа).

Оптическое измерительное изображение марки строится окуляром оптического измерительного прибора.

Например, при измерительной наводке визирным микроскопом на край изображения предмета, мы имеем: (а) - изображение края и (б) - изображение перекрестия окулярной сетки, наблюдаемое в окуляр.

Физически оптическое измерительное изображение объекта совмещается в процессе измерительной наводки с элементами марки, что и отображается на чувствительной площадке приемника изображения (например, на сетчатке глаза измерителя) через оптические системы окуляра и приемника изображения.

Часто в оптических измерительных наводках участвует изображение шкалы.

Напомним, что физическая величина выражается с использованием шкалы соотношений, которая имеет ряд отметок (делений, количественно определяющих свойства или состояния измеряемых объектов), а также нулевую отметку.

Большинство оптических измерений сводятся к геометрическим измерениям, то есть к определению длин и углов. Даже в оптико-электрических измерениях многие отсчетные устройства построены на принципе определения длин и углов по приборным шкалам.

Структура оптического изображения определяет качество оптического измерения и его важнейшие метрологические характеристики чувствительность и точность.

Структура того оптического изображения, на которое выполняются оптические измерительные наводки (обычно это изображение измеряемого объекта), в значительной степени зависит от вида объекта, дифракционных явлений в процессе образования оптического изображения и аберраций оптической системы.

С другой стороны, оптическое изображение марки отображается в условиях, которые способствуют высокому качеству этого изображения. К таким условиям можно отнести умеренное увеличение оптической системы окуляра и его небольшой полевой угол, откуда и умеренные требования к оптической конструкции окуляра.

Поэтому изображение марки для приемника (в том числе и для глаза) обычно является совершенно резким, то есть характеризуется максимальным градиентом перепада освещенности на краю штриха. При этом пространственная протяженность пограничной зоны ниже порога разрешения приемника изображения, что и можно считать состоянием резкости.

Заметим, что с развитием современных технологий создаются возможности преобразования первичного, то есть созданного прибором, оптического изображения, в заданном направлении с применением приемников анализаторов изображения, в том числе и компьютерных. В последующих частях данного пособия будет показано применение средств такого рода для повышения точности, диапазона измерений и чувствительности оптического контроля сразу в десятки раз.

Оптические системы, применяемые в оптических измерительных приборах, имеют качество изображения, обусловленное, в основном, дифракцией.

Поэтому классическая теория чувствительности и точности оптических измерительных наводок основана на анализе дифракционного распределения световой энергии в зоне изображения тест-объекта оптической системой, аберрациями которой можно пренебречь и которую в этом случае считают идеальной оптической системой.

Чувствительность измерительного прибора, оснащенного идеальной (безаберрационной) оптической системой, в принципе обусловлена (ограничивается) геометрическими параметрами дифракционного изображения объекта. Зная, от чего зависит размер такого изображения, можно сконструировать или правильно выбрать для выполнения измерений прибор, обладающий заданной точностью (см., например, [3]).

Распределение интенсивности оптического излучения, обусловленное влиянием дифракции, характеризуется плавными функциональными зависимостями (например, рис. 9 - ФРТ, рис. 11 - ФРЛ, или рис. 13 - структура изображения линейной решетки). Поскольку названные функции являются элементарными при описании тонкой структуры изображения (на пределе разрешения элементов структуры), то становится ясно, что при таком рассмотрении каждое оптическое изображение, построенное прибором, является фундаментально нерезким.

В этом смысле задача оптической измерительной наводки есть задача определения координат элементов нерезкого изображения, то есть такого изображения, структура которого описывается плавными функциями распределения интенсивности.

В результате, чувствительность оптического измерительного прибора зависит от следующих факторов:

- свойств оптического излучения, распространяющегося в приборе, - параметров прибора, - способа регистрации световых явлений (и оптических изображений), формируемых оптическим измерительным прибором.

Источники ограничения порога чувствительности реального оптического измерительного прибора будут, в основном, следующими:

- дифракция на зрачке, - аберрации, - ошибки изготовления оптической системы.

Итак, величины погрешностей оптических измерительных наводок (поперечных и продольных) зависят на практике от ряда факторов, участвующих в процессе оптического измерения, в числе которых:

- Структура и характеристики оптических измерительных изображений - изображения объекта и изображения анализатора (сетки, шкалы).

- Порог контрастной чувствительности приемника оптического измерительного изображения (в классических оптических измерениях это обычно глаз).

- Способы измерительных наводок.

Для определения реальных значений чувствительности и погрешностей оптических измерительных наводок требуются исследования для каждого конкретного случая оптических измерений, включая исследования прибора, метода и условий проведения измерений.

Однако современная теория оптических измерений дает математический аппарат, позволяющий определить (предсказать) предельно малые значения погрешностей - пороги чувствительности оптических измерительных наводок, теоретически достижимые для оптических измерительных приборов, оснащенных идеальными (безаберрационными) оптическими системами.

Поскольку аберрации оптических систем измерительных оптических приборов малы, то теория чувствительности оптических измерительных наводок строится на базе рассмотрения дифракционной структуры изображения, построенного такой идеальной (безаберрационной) оптической системой [1, 3, 6, 7].

Рис.Рассмотрим дифракционное распределение энергии в зоне пространства вблизи геометрического фокуса, где создается изображение точки (рис.18).

4.3. СВЕТЯЩАЯСЯ ТОЧКА Распределение интенсивности в изображении светящейся точки, найденное исходя из дифракции Фраунгофера на круглом зрачке, показывает, что энергия излучения испытывает дифракционное рассеяние по всему пространству изображений, в том числе и на всей фокальной плоскости. Однако большая часть энергии (около 80%) концентрируется вблизи геометрического изображения точки.

Рис.Эту энергию мысленно можно заключить в объеме дифракционного тела (по форме подобного эллипсоиду вращения, рис. 19), размеры r'Э (рис. 21) и ' (рис.19) которого зависят от длины световой волны и апертуры оптической системы, определяемой как:

A' = n sin 'A (2) где 'A - задний апертурный угол объектива, строящего изображение.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.