способ контроля качества и фокусировки оптической системы

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА И ФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, включающий формирование коллимированного пучка, разделение его на два равных по интенсивности, пропускание его через испытуемую оптическую систему, фокусировку прошедших пучков на приемное устройство, регистрацию их и определение качества и степени расфокусировки оптической системы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, коллимированный пучок делят на два симметричных относительно оптической оси коллиматора, перед регистрацией осуществляют синхронное сканирование полученными пучками, измеряют абсолютное значение временных интервалов появления сигналов и их амплитуду, находят плоскость измерения амплитуды по минимальному значению временного интервала, о качестве оптической системы судят по величине амплитуды, измеренной в этой плоскости, а о степени расфокусировки - по значению временного интервала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для наземных испытаний оптико-электронной аппаратуры в частности в стендах для испытаний глубокоохлаждаемой оптико-электронной аппаратуры, имитирующей точку в вакуумно-криогенных условиях.

Решение данной задачи в настоящее время является весьма актуальным в связи с повышением требований к метрологической аттестации аппаратуры.

Описанные в литературе и применяемые на практике способы по оценке качества и фокусировки оптических систем, как правило, не совместимы в одном эксперименте и требуют перекомпановки измерительной аппаратуры. В криогенно-вакуумных условиях это в едет к увеличению погрешности измерений метрологических параметров, так как связано с необходимостью разгерметизации и схемных изменений.

Известен способ оценки качества оптических систем, заключающийся в том, что коллимированный пучок лучей, проходящий через испытуемую оптическую систему, попадает на модулятор, при вращении которого излучение, проходя прозрачные штрихи, модулируется с частотой, определяемой количеством штрихов и скоростью вращения модулятора, после чего модулируемый световой поток трансформируется приемным устройством в переменный ток, который воспринимается прибором.

Основным недостатком данного способа является его невысокая точность из-за погрешности определения плоскости наилучшего изображения, которая не может быть меньше десятых долей миллиметра, что объясняется торцевым биением модулятора и конечными размерами приемного устройства. К недостаткам также относится значительная потеря энергии, вносимая модуляцией, а также то, что для определения качества испытуемой оптической системы необходимо вводить дополнительные схемные элементы, и оценка производится визуально, что ведет к дополнительному снижению точности измерений.

Известен способ контроля качества и фокусировки оптических систем, в качестве прототипа, включающий формирование коллимированного пучка, разделение его на два равных пучка по интенсивности, пропускание их через испытуемую систему, фокусировку прошедшего через систему излучения на два ряда фоточувствительных элементов и регистрацию излучения. Качество и фокусировку испытуемой системы определяют по амплитуде и смещению изображения от заданных координат, согласованных с одной из площадок приемного устройства.

Недостатком этого способа также является невысокая точность измерений, обусловленная погрешностью пространственного разделения коллимированного излучения на два пучка двумя парами разделительных призм, усугубленная работой в криогенно-вакуумных условиях, а также недостаточной чувствительностью пространственного разрешения вследствие конечных размеров приемников излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Это достигается тем, что в способе контроля качества и фокусировки оптической системы, включающем формирование коллимированного пучка лучей, разделение его на два разных по интенсивности, пропускание его через испытуемую оптическую систему, фокусировку прошедшего пучка лучей на приемное устройство, регистрацию излучения и определение расфокусировки и качества испытуемой оптической системы, коллимированный пучок делят на два симметричных относительно оптической оси коллиматора, перед регистрацией излучение синфазно сканируют полученными пучками лучей, о степени расфокусировки судят по временному разрешению сигналов, а о качестве испытуемой оптики - по амплитуде измеренного сигнала.

Изобретение позволяет осуществить переход от пространственного к временному разделению интенсивности сфокусированных пучков лучей. Это ведет к повышению точности измерений за счет исключения геометрических ограничений, определяемых пределом технологических возможностей создания приемных устройств.

Предлагаемый способ контроля качества и фокусировки иллюстрируется чертежом.

Система содержит источник 1 излучения, зеркала 2 и 3 коллиматора, испытуемая оптическая система 4, два плоских разделительных зеркала 5 и 5", сканирующее основание 6, приемник 7 излучения, прибор 8 регистрации излучения, 0-0" - оптическая ось коллиматора, совмещенная с оптической осью системы.

Контроль качества и фокусировки осуществляется следующим образом. От источника 1 излучение попадает на зеркала 2 и 3, с помощью которых формируется коллимированный пучок лучей. Коллимированный пучок лучей проходит испытуемую оптическую систему 4, делится на два равных по интенсивности, симметричных относительно оптической оси коллиматора пучка. Эта операция осуществляется с помощью равных по размерам разделительных зеркала 5 и 5", закрепленных на едином основании 6, установленном с возможностью сканирования. Излучение двух пучков, отраженных от каждого из разделительных зеркал, фокусируется на приемнике 7 излучения, а затем с помощью сканирования осуществляют последовательное попадание излучения на этот приемник. Равная интенсивность обоих пучков позволяет обеспечить идентичность сигналов. Синхронное сканирование основания 6 обеспечивает равную периодичность попадания отраженных пучков от каждого из зеркал на приемник. Информация о сигнале, который представляет собой последовательно возникающие "пики", с приемника 7 поступает на прибор 8 регистрации. На регистрационном приборе фиксируют интервалы времени между вершинами "пиков". Перемещая точку фокусировки вдоль оптической оси 0-0" коллиматора до получения минимального значения , тем самым определяют плоскость наилучшего изображения (фокальную плоскость).

Качество испытуемой оптической системы определяется по амплитуде полученных пиков, как фиксированное во времени распределение интенсивности изображения сфокусированных пучков вдоль оптической оси 0-0".

Создан комплекс, включающий криогенно-вакуумную камеру КТВУ-100 Г и имитатор точки, предназначенный для наземных испытаний оптико-электронной аппаратуры в криовакуумных условиях.

Предлагаемый способ был использован для определения расфокусировки и оценки качества оптической системы имитатора точки, расположенного в крио-вакуумной камере. Имитатор точки состоит из плоского зеркала диаметром 150 мм и сферического - диаметром 300 мм, радиусом кривизны 1600 мм. Зеркала изготовлены из материала АМF6. В качестве источника излучения использовался светодиод АЛ-107А, а приемника - фотодиод ФД 25Н. В процессе эксперимента в качестве коллиматора использовалась оптическая система имитатора точки. Разделительные зеркала, изготовленные из материала АМF6, размерами 40х40 мм², располагались симметрично на расстоянии 60 мм от оптической оси. Сканирование производилось с частотой 1 Гц, для чего использовался привод, снабженный асинхронным двигателем, мощностью 5 кВт и частотой вращения 30 Гц. В качестве прибора регистрации сигналов применялся осциллограф С1-83.

Эксперимент проводился в криогенно-вакуумных условиях при 25К и давлении 10^-6 мм рт.ст. В процессе эксперимента была проведена оценка качества и определена величина расфокусировки имитатора точки.

На предварительном этапе эксперимента при 20^оС комплекс был отъюстирован согласно техническим требованиям, заданным техническим заданием. Расстояние от приемника до зеркал имитатора точки, между зеркалами и от зеркал коллиматора до разделительных зеркал были выставлены с точностью + 1 мм.

В центре основания было закреплено юстировочное зеркало, с помощью которого основание установки строго перпендикулярно оптической оси методом автоколлимации. Разделительные зеркала закрепили на основании симметрично на расстоянии 60+1 мм от оптической оси.

Предварительная юстировка позволила точно сфокусировать испытуемую систему и получить интенсивность, равную по всему пучку излучения.

После проведения предварительного этапа камера КТВУ-100Г, внутри которой находился имитатор точки, была герметично закрыта.

При проведении эксперимента в криогенно-вакуумных условиях была определена расфокусировка, а сканирование разделительными пучками лучей позволило провести оценку качества оптической системы имитатора точки по всему рабочему полю системы. В процессе определения расфокусировки погрешность измерения не превысила 0,01 мм. В таблице приведены результаты измерений, где - расстояние между пиками; А - амплитуда пиков.

Была рассчитана погрешность, которая получилась бы при проведении аналогичного эксперимента с использованием способа-прототипа - определение расфокусировки, основанное на пространственном разделении пучка лучей. Она составила 0,1 мм.

При пространственном разделении пучка лучей дискретность отсчета, определяющая точность измерений и определяемая отношением размера линейного поля зрения коллиматора к количеству размещающихся на ней приемников излучения, в настоящее время составляет по технологическим возможностям порядка 10^-2 мм/шт. ; при временном разделении подобное отношение (линейное поле зрения к количеству регистрируемых импульсов) составляет порядка 10^-8 мм/шт. , где под штуками понимается максимальное количество регистрируемых импульсов, что служит наглядной иллюстрацией возможности значительного повышения точности в предлагаемом способе.

Таким образом, новая совокупность существенных признаков позволяет получить качественно новый эффект. Техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Реализация предлагаемого способа оценки качества и фокусировки позволяет в одном эксперименте решить две задачи: определить расфокусировку и провести оценку качества испытуемой системы без разгерметизации камеры и переналадки измерительного комплекса, что также ведет к дальнейшему повышению точности проводимых измерений. Предлагаемый способ позволяет снять проблему геометрических ограничений, связанных с техническими возможностями создания приемных устройств, а использование испытуемой системы в качестве коллиматора значительно снизить затраты и упростить измерительную схему.