WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ В.К. Кирилловский, Т.В. Точилина МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Учебное пособие Санкт-Петербург 2012 Кирилловский В.К., Точилина Т.В. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 125 с.

В пособии рассматриваются анализ и синтез схемных решений аппаратуры и методов оценки качества оптического изображения и измерения его характеристик включая инновационные решения, предпосылки компьютерного моделирования этих процессов, типовые узлы приборов, методы и схемы для измерения и оценки параметров и характеристик качества изображения, даваемого оптическими системами и элементами. Кроме того, рассматриваются анализ и синтез схемных решений современной аппаратуры для измерения деформаций волнового фронта, связанных с аберрациями оптических систем и ошибок оптических поверхностей. Рассмотрены эффективные косвенные методы оценки качества изображения оптических систем путем компьютерной расшифровки интерферограмм и математической обработки интерферометрической информации с целью определения характеристик качества изображения. Даны характеристики точности интерферометрии и современные методы повышения точности.

Указаны пути применения компьютеров в оптическом приборостроении при измерениях и контроле аберраций и качества изображения.

Учебное пособие предназначено для студентов оптических специальностей, изучающих методы оптических измерений по направлению подготовки «Оптотехника», а также может быть полезным для инженерно-технических работников исследовательских лабораторий и для технологов оптического производства.

Учебное пособие подготовлено на кафедре Прикладной и компьютерной оптики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Рецензент: доктор технических наук, профессор В.Т. Прокопенко (НИУ ИТМО) Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200400 – Оптотехника.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, © В.К. Кирилловский, Т.В. Точилина, 1. ВВЕДЕНИЕ В основе современной системы познания материального мира лежит измерение. Закономерные связи, находимые в природе, обнаруживаются чаще всего в численной форме, в результате количественных оценок наблюдаемых объектов и явлений. От развития методов и средств исследований и измерений, от пределов точности и чувствительности, достигаемых в процессе измерений, зависит достоверность описания исследуемых объектов и, в конечном итоге, адекватность модели окружающего нас мира.

Из всех известных методов измерений оптические исследования и измерения относятся к наиболее точным. Пороговая чувствительность и точность классических методов оптических измерений находится на уровне длины волны применяемого излучения, которая для видимого (светового) излучения составляет величину порядка 0,5 мкм.

Современные технологии, в том числе электронные и компьютерные, как и другие научно-технические достижения, дают возможность повышения точности и чувствительности еще в десятки раз.

Незаменимым свойством результатов оптических измерений и исследований является их наглядность, надежность и убедительность.

Отсюда значительная и все возрастающая роль оптических измерений в большинстве областей естественнонаучных и научно-технических исследований, в технической, медицинской и биологической практике.

В пособии для подготовки магистров рассматриваются анализ и синтез схемных решений аппаратуры для измерения деформаций волнового фронта, связанных с аберрациями оптических систем и ошибок оптических поверхностей.

Сведения о структуре изображения, построенного изготовленной оптической системой, могут быть получены прямым и косвенным путями. Рассмотрены современные косвенные методы оценки качества изображения оптических систем путем компьютерной расшифровки интерферограмм и математической обработки интерферометрической информации с целью определения характеристик качества изображения. Даны характеристики точности интерферометрии и современные методы повышения точности.

Указаны пути применения компьютеров в оптическом приборостроении при измерениях и контроле аберраций и качества изображения.

Способы прямой оценки состоят в наблюдении изображения тест-объекта, сформированного при помощи исследуемой системы, и измерении фотометрической структуры этого изображения.

Преимущества косвенных методов состоят в том, что они позволяют по известной топографии отклонений фронта волны рассчитать большинство характеристик качества изображения.

Результаты, полученные этими методами, не зависят от особенностей приемника изображения в схеме контроля. Косвенные методы дают возможность определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения, что служит предпосылкой широкого применения косвенных методов в условиях производства, например – при обработке оптических поверхностей, изготовлении оптических элементов и юстировке оптических систем.



К ограничениям косвенных методов следует отнести сложный математический аппарат обработки данных, требующий использования наиболее современных компьютеров и сложного, дорогостоящего программного обеспечения.

Кроме того, следует иметь в виду, что при таких оценках не учитывается влияние на качество изображения ряда факторов, действующих при изготовлении оптической системы, но не отображающихся в измерительном оптическом изображении второго рода, т.е. на интерферограмме, гартманограмме или тенеграмме.

Обычно – это факторы, приводящие к появлению в испытуемой оптической системе рассеянного света, наложенного на структуру сформированного системой изображения и приводящего к искажению штатных (расчетных) характеристик качества изображения, что может показать существенное ухудшение реального качества изготовленной системы по сравнению с предсказанным на основе расчета и косвенных оценок.

Итак, указанные недостатки косвенных методов преодолеваются применением прямых методов исследования и измерения параметров качества изображения систем в процессе изготовления, при чем учитывается влияние на характеристики качества реального изображения всех без исключения факторов.

1.1. Этапы оптического измерения В процессе оптического измерения обобщенно можно указать следующие основные этапы (рис. 1).

ОБЪЕКТ ОПТИЧЕСКОЕ Этап ИЗОБРАЖЕНИЕ Этап 2 КООРДИНАТЫ РЕЗУЛЬТАТЫ Этап ПОГРЕШНОСТИ Этап Рис. 1. Схема этапов оптического измерения 1. Создание оптического изображения, связанного с измеряемыми параметрами объекта (назовем такое изображение «оптикоизмерительным изображением»).

2. Определение (считывание) координат элементов изображения путем оптических измерительных наводок («наведений», «установок»).

3. Обработка данных, полученных в результате оптических измерительных наводок на изображение, и получение результатов измерения с целью определения необходимых параметров объекта [1].

4. Анализ погрешностей измерений с целью определения точности полученных результатов [1, 2].

В качестве примера рассмотрим одну из простейших оптических измерительных схем. Длина элемента малого объекта измеряется при помощи визирного измерительного микроскопа (рис. 2).

Рис. 2. Визирный измерительный микроскоп: 1 – объект; 2 – объектив микроскопа; 3 – измерительная шкала, совмещенная с плоскостью изображения объекта; 4 – изображение объекта; 5 – окуляр; 6 – глаз оператора измерений Визирный измерительный микроскоп служит для совмещения визирной сетки, расположенной в фокальной плоскости его окуляра, с заданными точками изображения измеряемого объекта.

Приведенная схема обеспечивает все перечисленные этапы процесса оптического измерения. Как известно [2], измерение – процесс сравнения измеряемой физической величины (в явной или неявной форме) с единицей этой величины, хранимой применяемым средством измерения.

В приведенной схеме измерительный микроскоп хранит единицу измеряемой величины (пространственной протяженности или длины) в виде отградуированных делений точно изготовленной шкалы.

Единицей длины в принятой у нас метрической системе является метр. Измерительная шкала за счет ее изготовления обеспечивает точное воспроизведение долей метра – миллиметров и их долей.

1.2. Обобщенная схема комплекса методов оптических измерений и исследований Если обобщенно рассмотреть совокупность традиционных методов контроля и исследования оптических систем и элементов, то можно убедиться в том, что эти методы, в основном, сводятся к регистрации структуры волнового фронта, сформированного системой (деталью) в схеме контроля. Следующий шаг – исследование этой структуры, которая визуализируется в форме изображения того или иного вида (названного выше оптикоизмерительным изображением), например, в виде интерференционных полос, теневой картины, совокупности пятен, составляющих диаграмму Гартмана, дифракционных изображений светящейся точки или линии и т.д.

Обобщенная схема подразумевает точечный источник излучения, из которого сферический волновой фронт распространяется во входной зрачок изображающей оптической системы. Волновой фронт, преобразованный исследуемым объектом в измерительной схеме, вписан в выходной зрачок. При изменении формы сферического волнового фронта изображение может удаляться, приближаться, поперечно перемещаться. Аберрации и ошибки изготовления оптической системы вносят искажения W в волновой фронт, которые меняют структуру оптического изображения. Если искажений нет, то волновой фронт должен быть сферическим.

Структура волнового фронта, характеризующая качество исследуемой системы, может быть представлена функцией пространственных координат на зрачке и на предмете, зависящей, при наличии хроматизма, и от длины волны излучения.

Рассмотрим волновой фронт, сформированный исследуемым оптическим элементом в схеме контроля (рис. 3).

Рис. 3. Обобщенная схема комплекса методов оптических измерений и исследований: M' и m' – координаты на выходном зрачке оптического элемента в схеме; x' и y' – координаты в плоскости изображения тест-объекта;

W – координата формы волнового фронта; I – относительная освещенность в изображении тест-объекта Исследование оптического элемента осуществляется, главным образом, в двух зонах.





1. В зоне изображения II объектом исследования служит, в большинстве случаев, амплитудная характеристика излучения – двумерное распределение освещенности в плоскости изображения, характеризующее концентрацию энергии в изображении и полноту передачи информации о структуре изображаемого объекта.

Здесь формируется оптическое измерительное изображение первого рода, подобное объекту и несущее информацию, в первую очередь, о его геометрических параметрах и внешней структуре.

2. В зоне зрачка I объектом исследования служит, чаще всего, фазовая характеристика волнового фронта, а именно – отклонения W формы фронта волны от формы, соответствующей требуемому качеству изображения (чаще всего – от сферической формы).

Здесь формируется оптическое измерительное изображение второго рода, обычно не подобное объекту, но несущее информацию о характере волнового фронта в части его фазовых деформаций, об аберрациях исследуемых оптических систем и элементов и об ошибках формы оптических поверхностей.

Сведения о структуре изображения, построенного оптической системой, могут быть получены двумя путями: прямым и косвенным.

2. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО РОДА 2.1. Изображения первого рода. Типовые тест-объекты и функции, описывающие их изображения Процесс выбора тест-объектов для исследования качества оптических систем и элементов складывался исторически. При этом определился ряд классических тест-объектов и математический аппарат функций, которые описывают структуру изображений этих тест-объектов и служат характеристиками качества изображения.

С развитием оптической промышленности выработан ряд типовых тест-объектов для оценки качества изображения. Типовые тест-объекты (точка, линия, полуплоскость, решетка) связаны с часто встречающимися в оптической практике (наблюдение, исследование, измерение) элементами реальных объектов. В приведенной таблице (табл. 1) представлены наиболее часто применяемые тест-объекты, изображения тест-объектов и двумерные функции, описывающие распределение интенсивности как в тест-объекте, так и в его изображении.

Таблица 1. Типовые тест-объекты и характеристики качества изображения Изображение, построенное оптическим прибором, может быть дифракционным, т.е. иметь отчетливо различимые элементы в виде дифракционных осцилляций (например, табл. 1 – ФРТ), или быть недифракционным, когда дифракционные осцилляции не наблюдаются (например, табл. 1 – ФРЛ).

Дифракционной структурой характеризуется изображение, построенное высококачественной оптической системой, имеющей малые аберрации, а недифракционной структурой характеризуется изображение оптической системы, имеющей заметные остаточные аберрации.

В соответствии с характером структуры сформированного изображения оптические системы, предназначенные для построения изображений, разделяют на два класса.

1. Оптические системы с дифракционно-ограниченным качеством изображения. К этому классу относят оптические системы, структура и качество изображения для которых ограничено (обусловлено) в основном дифракцией.

В их числе – оптические системы наблюдательных приборов, таких как телескопы, бинокли, подзорные трубы, теодолиты, а также микроскопы и другие приборы, в которых приемником и анализатором изображения является глаз. Это естественно, так как угловая разрешающая сила нормального глаза, при наблюдении тест-объекта типа двойной звезды, составляет:

rгл, dзрмм где dзр – диаметр зрачка глаза.

Подобная формула применяется и при определении разрешения идеальной оптической системы. Таким образом, разрешение глаза близко к идеальному, и оптические приборы, рассчитанные для работы с глазом, должны обладать дифракционно-обусловленным качеством изображения [3].

Кроме того, к дифракционно-ограниченным системам относятся объективы измерительных зрительных труб, космических и прецизионных телескопов, исследовательских и измерительных микроскопов, оптических систем для технологий микроэлектроники и лазерной записи информации.

2. Оптические системы с аберрационно-ограниченным качеством изображения. К этому классу относят оптические системы, структура и качество изображения для которых ограничены (обусловлены) в основном влиянием аберраций; эти аберрации либо не были устранены на этапе расчета оптической системы («расчетные» аберрации), либо они обусловлены ошибками изготовления оптической системы и ее элементов.

Сюда относятся, например, оптические системы фото-, кино- и видеообъективов. Волновые аберрации систем этого класса могут быть в 5 раз выше, чем у систем с дифракционно-ограниченным качеством, при этом качество изображения, применительно к существующим приемникам изображения и большим полевым углам указанных приборов, считается вполне удовлетворительным.

2.1.1. Тест-объект «светящаяся точка» Первичный и наиболее универсальный тест-объект при исследовании качества изображения оптических систем – тест-объект типа «светящаяся точка». Он материализуется в виде круглой диафрагмы малого диаметра, освещенной проходящим светом (или ее уменьшенного изображения).

Изображение тест-объекта «светящаяся точка» – пятно рассеяния или дифракционный кружок (рис. 4, а).

а б Рис. 4. Дифракционный кружок (а); ФРТ (б) Наблюдение дифракционного кружка, формируемого исследуемой системой, позволяет обнаруживать аберрации системы с чувствительностью на уровне до 0,1.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 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.