Контроль качества объективов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТИВОВ

Иванов А.Н.

Аннотация

в работе рассматривается процесс конструирования оптических систем для фотосъемки. Основная часть статьи посвящена сбору и анализу данных о волновом фронте систем. Также проведено исследование интерферометрического метода получения данных. Исследование посвящено разработке средств контроля изготовления оптических систем. Отдельное внимание уделяется существующим программам, используемым для обработки интерферограм. Проведены исследования, касающиеся выявления погрешностей в готовых оптических системах. Сделаны выводы касательно мер, необходимых для более точного определения дефектов и их устранения с целью повышения качества оптических систем и приведения их в соответствие с ожиданиями разработчиков и пользователей.

Ключевые слова: оптические системы, фотосъемка, объектив, интерферограмма, изображение, качество, контроль, интерпретация.

Annotation

LENS QUALITY CONTROL Ivanov A.N.

the paper considers the process of designing optical systems for photography. The main part of the article is devoted to the collection and analysis of data on the wavefront of systems. The interferometric method of data acquisition was also investigated. The research is devoted to the development of control tools for the manufacture of optical systems. Special attention is paid to the existing programs used for processing interferograms. Studies have been carried out concerning the detection of errors in ready-made optical systems. Conclusions are drawn regarding the measures necessary to more accurately identify defects and eliminate them in order to improve the quality of optical systems and bring them in line with the expectations of developers and users.

Keywords: optical systems, photography, lens, interferogram, image, quality, control, interpretation.

Введение

Оптические системы создаются посредством последовательного выполнения сложных действий, которые можно разделить на две стадии. Первая стадия - разработка системы, а вторая - производство.

Разработка системы выполняется на основе расчета параметров. Кроме того, рассчитывается предполагаемое качество изображения, получение которого возможно посредством системы. Второй этап связан с изготовлением системы, показатели которой будут максимально близки к расчетным. Все результаты расчетов и качество полученного изображения также анализируются через оптическое измерение.

В качестве примера можно привести объектив для фотосъемки. Анализируя его составляющие и характеристики, нуждающиеся в изменении и контроле, а также изучая примеры требуемых средств измерения, можно выяснить, что качество изображения, получаемого через объектив, в целом имеет отношение к аберрациям самого объектива. Аберрации также зависят от качества оптических элементов и наличия, либо отсутствия на них изъянов. Зависит состояние объектива и от качества сборочных работ. В совокупности все эти условия влияют на волновой фронт, создаваемый через объектив [1].

Информация о структуре полученного посредством оптической системы изображения может быть добыта прямыми или косвенными способами. К последним относятся измерительные процессы, позволяющие определить структуру деформации волнового фронта в зоне зрачка и на выходе оптической системы. Полученные данные формируют карту волнового фронта, которую позднее используют для выявления параметров ЧКХ, ФРЛ и ФРТ. Косвенные методы позволяют получать исчерпывающие данные при помощи топографии отклонений фронта волны, на основе которых проводятся расчеты показателей качества изображения. Они также позволяют понять, как некоторые искажения волнового фронта оптической системы воздействуют на получаемые изображения.

Интерферограмма

Интерферометрический способ получения данных о волновом фронте является одним из наиболее эффективных методов работы. Сам волновой фронт при этом оценивается при помощи отношения А/n. В этом случае А - это длина волны света, испускаемого источником, а n - количество прохождений луча света сквозь оптику системы.

Если интерферометр точно настроен и сфокусирован, интерферометрический способ помогает составить полную картину, похожую на топографическую схему, в которой отображаются неточности и отклонения анализируемой волновой поверхности. При этом изолинии уровня или горизонтали отображаются как полосы, промежутки между которыми кратны длине волны [5].

Если интерферометр имеет поперечную расфокусировку согласно предложению Тваймана, результатом измерения будет система линий. При этом каждая линия будет иметь форму, соответствующую профилю отклонений волнового фронта в имеющемся сечении зрачка.

Твайман заложил фундамент косвенного метода эксперимента по изучению свойств оптических систем, предложив вычислять показатели интенсивности светового поля, основываясь на данных о форме волнового фронта. И уже на основании анализа интерференционных изображений делать выводы о характере преобладающей аберрации (рисунок 1):

Рис. 1 Интерференционная картина для исследования характера аберрации

Контроль точности изготовления плоских поверхностей

Повышенная чувствительность 2-лучевого интерферометра к вибрациям побудила исследователей разрабатывать новые схемные решения подобных приборов, в меньшей степени подверженных воздействию вибраций. В настоящее время широко распространяется интерферометр Физо, конструкция которого совмещает с опорным механизмом, благодаря чему исследование поверхностей и систем основывается на образцовой детали, которая работает в условиях проходящего света и формирует опорный волновой фронт [3].

На рисунке 2 можно изучить схему интерферометра Физо, применяемого для контроля точности изготовления плоских поверхностей:

Рис. 2 Интерферометр Тваймана: 1,2,3 - осветительные системы, 4 - точечная диафрагма, 5 - коллимирующий объектив, 6 - свето-делитель, 7 - изучаемый объектив,, 8 - образец а (сферическое зеркало), 9 - центр кривизны, 10 - образец б (плоское зеркало), 11 - объектив, наблюдательной системы, 12 - плоскость наблюдения интерференции, 13 - приемник изображения, 14 - интерферограмма

На данном рисунке в качестве образцового элемента используется форма 8, фронтальная поверхность которой сделана с образцовой точностью (показатель достигает значения 1/20 X). Как правило, подобные погрешности поверхности образцового элемента в практике контроля точности изготовления поверхностей традиционно считаются пренебрежимо малыми.

Для того чтобы полностью исключить воздействие паразитного интерференционного изображения, могущего возникнуть в случае отражения плоской поверхности от обратной поверхности образца, данный элемент выполняется в форме небольшого клинышка, в пределах 'А-1 миллиметра уменьшения толщины верхнего края образца к нижнему [4].

В данном случае на паразитном интерференционном изображении от нерабочей поверхности возникают высокочастотные полосы (до тысячи единиц на всю поверхность), на практике не являющиеся помехой для восприятия основного интерференционного изображения.

Контроль точности изготовления сферических поверхностей

Интерферометр устроен по типу автоколлимационного микроскопа, где между объектом для исследования и объективом используется мениск. Передняя часть мениска выступает в роли идеальной поверхности, отбивая при этом волновой фронт сравнения, складывающийся с волновым фронтом, который отражается от изучаемой оптической части.

По типу интерференционной картинки определить размер погрешности изучаемой оптической части как взаимоотношение наибольшей стрелки прогиба интерференционной линии к шагу (периода) линии.

Небольшая чувствительность к вибрациям способствовала большой популярности интерферометров по схеме Физо при контролировании устройств из оптики средней точности. Производимые устройства имеют компьютеры, видеоразъемы и дорогие программные обеспечения. Но их точные способности, как рассказано дальше, ограничены обязательным использованием в их схеме образцовых запчастей, точность которых должна быть строго установленного уровня, около Х/20 [2].

Оценка погрешности способа интерферометрии

Данный метод ограничен в первоначальной стадии в том, что освещенность вдоль линии меняется по синусоидальному закону, очерк линий видно неотчетливо и погрешность видимой расшифровки не меньше 0,05 ширины линии. Новые методы специальной регистрации предоставляют способы достичь структуры картинки к виду, помогающий получить наиболее возможную точность при расшифровке. Как можно заметить на рисунке 3, ровная пограничная территория сформировалась в четкую полосу.

При практике с интерферометрами с обработкой интерференционной картинки для улучшения точности показаний координат линий (к примеру, с помощью нового анализатора интерферограмм ТАИ-1) предоставила способность нахождения и оценки недочетов волнового фронта в показаниях 0,005 Х в настоящем времени в интерактивной системе. Предоставлена полученная таким методом картинка. Вогнутые поверхности в форме сферы могут регулироваться устройством с точностью более 0,01 размера волны. Полученный результат, согласно нашему мнению, является наиболее убедительным, ведь в большинстве других областях исследований увеличение точности, к примеру, в два раза является большим достижением. Была принята экспериментальная связь среднеквадратической погрешности наведения на предел интерферограммы от степени градиента.

Рис. 3 Экспериментальная связь среднеквадратической погрешности наведения на предел интерферограммы от степени градиента

Оценка причины погрешностей способа интерферометрии на основании выработанной модели обнаружил, что погрешность измерения погрешности рефракции оптических устройств и элементов вычисляется погрешностью измерений показаний границы элемента интерферограммы, но граница довольно нерезкая [6].

Представлено, что среднеквадратическая погрешность а_н направления измеряемой марки на контур не сильно резкого фрагмента картинки зависит от размера наибольшего граничного градиента g_max в этой картинке и привязан к ней практически обратно пропорциональной зависимости.

Обработка интерференционного изображения высокой точности

Для того чтобы восстановить циклы волнового фронта и отобразить топографические особенности исследуемой поверхности, применяется частная разработка интерпретации интерферограмм ZEBRA MathOPTIX.

Данная программа была разработана специалистами кафедры прикладной и компьютерной оптики на основе компьютерных технологий обработки интерферограмм.

В интерпретаторе предусмотрен целый пакет необходимых средств, как математические и сервисные возможности, предоставляемые клиенту согласно принятым нормам и стандартам. Формируемые данные не уступают в классе таким ведущим разработчикам, как Mцller-Wedel, Zygo и Veeco.

В.М. Домненко и Д.А. Гаврилин являются разработчиками интерпретатора ZEBRA MathOPTIX [8].

Выводы

Изучен аппаратурный и программный комплекс, предназначенный для автоматизации контроля качества комплектующих и готовых оптических систем.

Выполнен синтез лазерной интерферометрии и исследована аналоговая телевизионная обработка объяснения интерферограмм. Проанализирован метод нахождения и оценки отклонений волнового фронта на уровне 0,005 X в интерактивном режиме и с учетом текущего времени с использованием автоматизированной компьютерной расшифровки и цифрового анализа интерферограмм.

Данный комплекс позволяет значительно усовершенствовать и углубить контроль изготовления оптических систем в согласии с расчетными показателями и требованиями производителей.

Список литературы /References