Устройство контроля волнового фронта

Предлагаемое техническое решение относится к области технической физики, а, в частности, к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при контроле формы поверхности объектов, например, зеркальных поверхностей элементов телескопических систем при их аттестации в цеховых условиях.

Устройство контроля волнового фронта содержит датчик Шака-Гартмана, подключенный к блоку обработки информации, призму Пехана, вращающуюся втулку с приводом, при этом вращающаяся втулка размещена на входе датчика Шака-Гартмана, а призма Пехана смонтирована внутри вращающейся втулки, блок управления приводом которой подключен к блоку обработки информации.

Техническое решение при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении точности измерений волнового фронта.

Предлагаемое техническое решение относится к области технической физики, а, в частности, к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при контроле, формы поверхности объектов, например, зеркальных поверхностей элементов телескопических систем при их аттестации в цеховых условиях.

Известен Гартмановский анализатор волнового фронта, содержащий диафрагмирующий экран с отверстиями, которые выделяют отдельные узкие пучки лучей, и с помощью экстрафокальных фотографий (гартманограмм) определяют точки их пересечения с оптической осью анализатора. По полученным результатам математической обработки координат точек на гартманограмме анализируют волновой фронт и его аберрации, см., например, «Оптический производственный контроль» под ред. Д Малакары, М., Маш., 1989 г., с.364 и В.А.Зверева, С.А.Родионова и др. «Технологический контроль главного зеркала БТА методом Гартмана», Оптико-мех. промышленность, 1977, №3, с.3-5.

Недостаток Гартмановского анализатора волнового фронта и различных его модификаций заключается в следующем:

- размер диафрагм Гартмана слишком велик (0,3-0,5 диаметра исследуемого зеркала);

- для надежного распознавания пятен гартманограммы необходимо использование нестандартных матриц ПЗС (прибор с зарядной связью) или мозаики из нескольких матриц, что снижает точность анализа волнового фронта;

- блок обработки координат точек необходимо совершенствовать для получения более точных данных предварительной обработки, погрешность которых влияет на результирующую погрешность всего анализатора.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предполагаемому изобретению по своей технической сущности является устройство контроля волнового фронта, содержащее датчик Шака-Гартмана, подключенный к блоку обработки информации, см. Н.Д.Толстоба, «Математическое моделирование и оптимизация Гартмановских методов контроля оптики». Автореферат диссертации, ЛИТМО, С-Петер., 2001 г. Устройство содержит растр из массива микролинз, разбивающий поступающий на них волновой фронт на отдельные участки и формирующий гатманограмму на ПЗС матрице в виде массива фокальных пятен, создаваемых микролинзами. Координатная информация с ПЗС матрицы поступает на компьютер, где происходит реконструкция волнового фронта и вычисление его аберраций.

Недостаток прототипа заключается в следующем. Фокальные пятна на ПЗС матрице являются дифракционными изображениями, которые тем больше по диаметру и тем сильнее размыты, чем меньше диаметры микролинз. Поэтому существует некоторый критический размер микролинз и их число при данном размере входного зрачка анализатора, который ограничивает пространственное разрешение волнового фронта, а, следовательно, и точность анализатора.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности контроля волнового фронта.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве контроля волнового фронта, содержащем датчик Шака-Гартмана, подключенный к блоку обработки информации, дополнительно содержится призма Пехана и вращающаяся втулка с приводом, при этом вращающаяся втулка размещена на входе датчика Шака-Гартмана, а призма Пехана смонтирована внутри вращающейся втулки, блок управления приводом которой подключен к блоку обработки информации.

Кроме того, датчик Шака-Гартмана выполнен на базе одной линейки микролинз с линейчатым позиционно-чувствительным приемником излучения.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство анализатора волнового фронта; на фиг.2 - пример выполнения линейки на базе микролинз гексагональной и квадратной формы.

Устройство контроля волнового фронта содержит последовательно установленные на его оптической оси призму-1 Пехана (см. «Справочник конструктора оптико-механических приборов» под ред. В.А.Панова, Л., Маш., 1980 г., с.179), смонтированную внутри вращающейся втулки-2, датчик Шака-Гартмана в виде линейки-3 микролинз и линейчатой ПЗС матрицы-4 (линейчатый позиционно-чувствительный приемник излучения). При этом выход матрицы-4 и блок управления-6 привода-7 вращающейся втулки-2 подключены к блоку-5 обработки информации.

Устройство контроля волнового фронта работает следующим образом. Волновой фронт с исследуемой формой поверхности направляется вдоль оптической оси ОО устройства на призму Пехана-1, которую он проходит без искажений с угловым поворотом. Пройденный фронт достигает линейки-3 микролинз, вырезающей из него полоску и разбивающей ее на равные участки. В фокальной плоскости микролинз на линейчатом позиционно-чувствительном приемнике-4 излучения формируется изображение этих участков в виде линии фокальных пятен. (Пример выполнения линейки микролинз гексагональной и

квадратной формы приведен на фиг.2). Сигналы с координатной информацией о положении фокальных пятен для выделенной линейкой микролинз полоски волнового фронта подаются в блок-5 обработки информации (выполненного, например, на базе компьютера). Путем изменения углового положения призмы-1 Пехана, задаваемого привод ом-7, подключенным через блок-6 к блоку-5, производится поворот волнового фронта относительно линейки-3 микролинз и выделение каждого его последующего участка до тех пор, пока волновой фронт не будет полностью просканирован. В блоке-5 по накопленному массиву значений координат пятен при соответствующих поворотах призмы вычисляют локальные наклоны волнового фронта, а по ним - его форму и аберрации.

Дадим обоснование достижения технического результата при использовании предложенного технического решения.

Ключевым элементом прототипа является квадратный или гексагональный линзовый растр. Каждая линза обычно имеет размеры от 1 мм и меньше. Линзы датчика разделяют исследуемый волновой фронт на субапертуры, формируя в фокальной плоскости растра массив фокальных пятен. Там расположена ПЗС матрица, регистрирующая получаемое изображение - гартманограмму. Первоначально производится определение нулевого отсчета анализатора. При подаче на вход луча с плоским волновым фронтом на выходе формируется картина, состоящая из пятен, регулярно расположенных на оптической оси линз. Эта картина принимается за эталонную. При подаче на вход анализатора пучка с искаженным волновым фронтом каждое пятно сдвигается относительно оси микролинзы. Смещение «центра масс» каждого пятна пропорционально локальному наклону волнового фронта в пределах данной субапертуры. Таким образом, измеряя смещения пятен, получают локальные наклоны искаженного волнового фронта в центре каждой субапертуры. Матрица полученных наклонов преобразуется в набор коэффициентов при полиномах Цернике (см. Борн М., Вольф З. Основы оптики,

М., Наука, 1973), полностью описывающих низшие аберрации исследуемого волнового фронта.

Понятно, что точность реконструкции волнового фронта зависит от размера матрицы и при заданном пространственном разрешении (количество микролинз растра) не может быть увеличена.

В предполагаемом техническом решении локальный наклон волнового фронта в пределах каждой субапертуры линейки микролинз вычисляется по усредненным данным измерений, накапливаемых путем дискретных малых угловых перемещений призмы Пехана. Усреднения проводятся методом скользящего среднего (см., например, Айвазян С.А., Мхитарян B.C. «Прикладная статистика и основы экономометрии», М., Юнити, 2002). Очевидно (см., например, Харин Ю.С., Жук Е.Е. «Математическая и прикладная статистика», Мн., БГУ, 2005 и Суслов В.И., Ибрагимов Н.М. «Экономометрия», Новосибирск, НГУ, 2003), что такая обработка данных методом скользящего среднего дает большую точность восстановления локальных наклонов и, следовательно, предлагаемое устройство контроля волнового фронта будет иметь большую точность по сравнению с прототипом.

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении точности измерений волнового фронта.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлен опытный образец изделия, испытания которого подтвердили достижение указанного технического результата.

1. Устройство контроля волнового фронта, содержащее датчик Шака-Гартмана, подключенный к блоку обработки информации, отличающееся тем, что оно снабжено призмой Пехана и вращающейся втулкой с приводом, при этом вращающаяся втулка размещена на входе датчика Шака-Гартмана, а призма Пехана смонтирована внутри вращающейся втулки, блок управления приводом которой подключен к блоку обработки информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик Шака-Гартмана выполнен на базе одной линейки микролинз с линейчатым позиционно-чувствительным приемником излучения.