Доклад оптические измерения вчера, сегодня завтра

Вид материала

Доклад

Содержание 3.1,критерии качества изображения.

Подобный материал:

• «эксперимент»: вчера, сегодня, завтра…, 2640.82kb.
• «Дизайн: вчера, сегодня, завтра», 10.01kb.
• «Рынок микрофинансирования : вчера, сегодня, завтра», 49kb.
• Итоги iоткрытой научно-практической конференции «Образование и научное творчество:, 781.08kb.
• Приказ 06. 03. 2011 г. № Об организации и проведении городского конкурса рисунков «Покорение, 59.27kb.
• Положение о республиканской научно-практической конференции для обучающихся «Строительство:, 61.05kb.
• Провести конкурс кроссвордов «Государственная Дума: вчера, сегодня, завтра». Утвердить, 35.48kb.
• Положение об областном молодёжном проекте «Комсомольские «вожаки»: вчера, сегодня,, 78.4kb.
• Положение о республиканском конкурсе «Почтовая связь в Коми крае: вчера, сегодня, завтра»,, 36.14kb.
• Перевод Н. Немчиновой, 1287.21kb.

ДОКЛАД

3.ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ ЗАВТРА.

Рассмотрим кратко историю развития методов контроля оптических деталей, применительно к астрономической оптике. Это обусловлено двумя моментами: во-первых, астрономическая оптика проектируется и изготавливается на дифракционных пределах разрешения, во-вторых, все методы контроля качества изготовления оптических деталей были разработаны и исследованы в процессе производства именно астрономической оптики. Астрономы создали оптическую технологию, как науку, так и в настоящее время основное количество инноваций приходится на то, чтобы как можно дальше заглянуть в холодный мрак космоса.

Созданные в XVII-XVIII веках инструменты имели произвольное качество оптических элементов. Контроль однолинзовых рефракторов и рефлекторов системы Ньютона и Ломоносова осуществлялся по качеству изображения звезды. Усложнение оптических схем: применение параболических зеркал для рефлекторов и двух линзовых объективов рефракторов для увеличения светосилы астрономических инструментов потребовали целенаправленной доводки оптических деталей до более высокой точности, а значит, создания и развития отдельного научно-технического направления, получившего название контроль оптики.

Оптический контроль как научно-техническое направление решает две задачи:

1 Формулировка критериев качества

2. Разработка эффективных методов измерения параметров оптических деталей.

Основными характеристиками качества оптической системы является:

1.Функция рассеяния точки (ФРТ).

2.Оптическая передаточная функция (ОПФ).

Можно выделить шесть основных методов контроля качества оптических деталей:

1. По дифракционной точке.

2. Теневой метод.

3. Интерферометрический метод.

4. Метод Гартмана.

5. Профилометрия.

6. Метод Ронки.

Интересно посмотреть эволюцию как критериев оптических систем и методов контроля.


3.1,КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Естественное желание измерить степень совершенства оптических деталей в сравнении с идеальной оптической схемой привело к созданию критериев, характеризующих качество изображения. Только на основе этих критериев можно определить требования, как к оптической детали, так и к методу контроля.

Дефекты оптических элементов сложным образом связаны с качеством изображения, но на практике обычно стремятся охарактеризовать качество оптической детали одним числом. Такие одночисловые оценки обладают всеми недостатками одностороннего описания сложного явления. Это обстоятельство хорошо подметил Уэзерелл: »В области науки, изучающей качество изображения, как и в других сферах интеллектуальной деятельности, имеет место заблуждение-вера в то, что весьма сложные процессы можно точно и полно охарактеризовать одним действительным числом. В оптике это заблуждение принимает форму преувеличения значения таких оценочных параметров как число Штреля, среднеквадратическая ошибка волнового фронта, предельное разрешение… Проблема возникает не из-за одночисловых характеристик, позволяющих сравнить конкурирующие объекты, а из-за них распространение на такие области, где они становятся не пригодными». [6] Хотя в условиях реального производства, решение о годности оптической детали принимают несколько независимых специалистов (по возможности я попытаюсь проиллюстрировать примерами изготовления оптических деталей любительских телескопов на ФГУП "ПО "НПЗ"), что с одной стороны исключает однозначность оценки, но и не оценивают деталь в комплексе, что может при взаимной компенсации дефектов привести к необоснованному забракованию детали.

Качество оптической системы характеризуют двумя параметрами – это либо функция рассеяния точки (ФРТ) и оптическая передаточная функция (ОПФ). Эти два параметра связаны между собой. Но как от ФРТ перейти к допускам на качества отдельных элементов оптической схемы. В однолинзовых и зеркальных объективах первых телескопов это не вызывало проблем, так как объект наблюдения (звезда) и был как бы средством контроля (окуляр на качество изображения звезды практически не влияет, он только увеличивает размер кружка рассеивания «диска Эри»). Это позволяло определить в каких-то пределах качество оптического прибора (для визуальных приборов до сих пор существует такой параметр как «качество в сравнении с эталонным прибором»). Впервые количественную оценку качества изображения предложил в середине XIX века лорд Релей: изображение можно считать дифракционного качества, если суммарная волновая абберация не превышает λ/4, где λ- рабочая длина волны (длина волны максимальной чувствительности глаза для визуальных приборов).

Как перейти от величины волновой абберации к допускам на форму поверхности оптических компонентов оптической схемы. Рассмотрим простой телескоп системы Ньютона, состоящий из вогнутого сферического зеркала (главное зеркало) и плоского зеркала стоящего под углом 45° (диагональное зеркало) к падающему на него пучку света (при рассмотрении учитываем только ошибки формы зеркал). Для выполнения критерия Релея суммарные ошибки изготовления формы поверхности деталей должны быть λ/4, для случая серийного производства исключающую селективную сборку λ/8 на каждую деталь, или другими 0.25 полосы. Но такая упрощенная трактовка ошибок не всегда бывает корректной.

И это работает в случае, когда главное зеркало сферическое, заменим его на параболическое зеркало. Что такое парабола при рассмотрении из центра кривизны – испорченная сфера, и оценка ее по критерию Релея бессмысленна. Контролируя параболическое зеркало по схеме Ричи, из фокуса, оценивается качество волнового фронта формируемого зеркалом. При этом параметр PV теряет физический смысл. Благодаря развитию техники оптических измерений, в частности интерферометрических (создание лазерных интерферометров), а также развитию математического аппарата обработки интерферограмм был предложен другой критерий, критерий Морешаля: ” согласно Морешаля оптическую систему, можно считать совершенной, если среднеквадратичное отклонение исследуемого волнового фронта относительно оптимальной сферы сравнения не превышает λ/14. [7] Казалось бы, критерий Морешаля более жесткий, чем критерий Релея, но это не так, как кажется на первый взгляд(λ/4 > λ/14) и утверждают некоторые мои коллеги. В отличие от критерия Релея, критерий Морешаля рассматривает не абсолютную величину дефекта, как у Релея, а ее влияние на искажение волнового фронта. Переход от критерия Релея к критерию Морешаля является, по сути, революцией в оптических измерениях. Связано это с тем что, вместо “материального” PV (пик-вэлли, бугор-яма, ΔΝ, местная ошибка, подробнее смотри раздел 3.2.4) к математической абстракции RMS (среднеквадратической ошибке волнового фронта Wскв). Переход от сенсуализма к рефлексии. Если, и глядя на интерферограму определить PV не представляет большого труда, а применив карандаш и линейку можно оценить размеры дефектов с точностью λ/20, разделить дефекты по видам и дать указание оптику “как ему править полировальник“, то параметр RMS (математическая абстракция, получаемая обработкой интерферограммы по определенному алгоритму) по своей сущности для изготовителя оптики практически бесполезен. Но параметр RMS больше нравится контролерам и расчетчикам своим “универсализмом“. Надо понимать то, что параметр PV и RMS по-разному трактуют ошибки поверхности. Наиболее характерно различие этих критериев в трактовке таких дефектов как астигматизм и «фаска по краю», то, что можно было бы признать годным по абсолютной величине, бракуется по среднеквадратичному отклонению. Наличие двух критериев оценки качества изображения: критерия Релея и критерия Морешаля и соответствующее им параметры качества поверхности PV и RMS создают конфликт. Как будет разрешен данный конфликт, я не берусь предугадывать. Хотя склоняюсь к тому мнению, что конфликт будет разрешен на основании некоего рефлексивного синтеза на основе внимательного изучения интерферограммы с учетом численных значений местных ошибок (PV) и их влиянию на искажение волнового фронта (RMS). Следует отметить, что ошибки волнового фронта являются только одним из факторов, ухудшающих качество изображения. Приведенные критерии широко применяются в практике оптического контроля для оценки пригодности оптических деталей. Критерии Релея и Морешаля являются волновыми. Кроме волновых критериев качества оптической системы существуют и энергетические критерии, такие как число Штреля, критерий Линфута и др.

Критерий Линфута определяет качество системы по частотно-контрастной характеристике (ЧКХ), а перейти от нее к допускам на отдельные детали не возможно, по этому ее рассматривать не будем, а остановимся на «числе Штреля». Число Штреля S, определительная яркость – это отношение наибольших значений освещенность в центре дифракционного пятна реальной системы, к для которой волновые абберации не равны нулю, и безабберационной системы. Для высококачественных систем, необходимо выполнение условия S≥0.8.[8]

Для случая малых аббераций число Штреля со среднеквадратической ошибкой:

S ≈ 1 – (2π/λ)² W ²скв (3.1)

где λ- контрольная длина волны (для случая лазерного интерферометра 628 нм), Wскв – среднеквадратическое отклонение волнового фронта (RMS). Подставим в формулу (3.1) Wскв = λ/14 (критерий Морешаля) получим S=0,8. Получили однозначную связь энергетического критерия (числа Штреля) с волновым критерием (критерий Морешаля). Но это связь математических абстракций, игра чисел за которыми очень трудно уловить физический смысл описываемых, ими явлений, именно по этому критерий Штреля прост и универсален, однако неудобен для технологов, тем, что не может быть получен прямыми измерениями (как прямыми измерениями не определяется Wскв).

Действительно, при фотометрировании точки мы получаем ненормируемую усредненную освещенность, которую сложно связать с отношением интенсивностей в максимуме функции рассеяния реальной и идеальной оптических систем (критерий Штреля по максимуму). По мнению коллектива авторов книги “Проблемы оптического контроля”, «критерий Штреля по максимуму» не имеет до сих пор технологического смысла. [8] В монографии М.Н. Сокольского “Допуски и качество оптического изображения”, изложена иная тока зрения, а именно решается обратная задача, исходя из критерия Штреля рассчитываются допуски на все параметры оптической детали: требований к стеклу (показатель преломления, дисперсию, оптическую однородность, двулучепреломление, светопоглащение, бессвильность и пузырность), форму поверхности (N, ΔN), децентрировку для линз, точность изготовления углов для призм, просветления и др.[7]

На основе анализа всех параметров оптической детали с учетом вклада каждого из параметров можно получить объективную оценку качества, как каждой детали, так и всей системы в целом. Данная работа представляет поистине титанический труд, и в обозримом будущем вряд ли может быть использована для серийного производства. Но уже сей час, может быть применена для создания уникальных изделий, когда за счет анализа «чисел Штреля», например, методом Бэкона-Миля используя оптические элементы по каким то параметрам выходящие за допуск получить оптическую систему высокого качества. Д.Д. Максутовым подобный случай (хотя Максутов и не вычислял числа Штреля, интересен сам подход к решению проблемы): В 1933 или 1934 гг. в Государственном Оптическом институте, в руководимой мной лаборатории делался со специальной исследовательской целью объектив диаметром 200 мм из заведомо неоднородного стекла. … Под контролем теневого метода мы начали выполнять ретушь на одной из поверхностей этого объектива; … После ретуши объектив стал давать вполне хорошее изображение, но при единственном условии, что линзы были сложены в строго определенном положении.[6] .

Связь между волновыми и энергетическими критериями качества оптического изображения очевидна, формула (3.1), но энергетические критерии, обладая определенной универсальностью, не позволяют сформулировать требования к каждому отдельному элементу оптической схемы, и измерены; в то время как по волновым критериям, согласно не сложного алгоритма, учитывающего технологические особенности изготовления и особенности, используемых в производстве методов контроля, определить требования к качеству изготовления поверхностей отдельных элементов оптической схемы, а также в ряде случаев требования к оптической однородности стекла.

Волновые критерии качества не учитывают таких показателей качества как допуски на показатель преломления и дисперсию стекла, светопоглащение, пузырность оптического материала, центрировку линз, точность изготовления углов призм, чистоту поверхности, качество изготовления просветляющих, зеркальных, светоделительных покрытий, ограничение световой зоны отверстиями и экранами (различные виды виньетирования) во многом определяющих в конечном итоге энергетическую эффективность оптической схемы. Это особенно актуально для фотографических и оптико-электронных приборов, для которых функция передачи контраста (ФПЧ) или по-другому частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) в широком спектральном диапазоне более важна, нежели высокая разрешающая способность на дифракционном уровне. Постоянное усовершенствование приемников оптического излучения, их миниатюризация и расширение спектрального диапазона требует разработки новых критериев качества оптического изображения с учетом спектральной составляющей.

По всей видимости, развитие этих критериев будет идти по пути усовершенствования старых и создания новых математических моделей. И сам оптик-физик из чисто эмпирического специалиста будет развиваться в направлении оперирования математическими моделями волновых фронтов и картами оптической поверхности востоновленной из интерферограммы, не желе в экспериментатора работающего с “живыми деталями“.

3.2 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ


3.2..1 КОНТРОЛЬ ПО ДИФРАКЦИОННОЙ ТОЧКЕ.


Наиболее старый метод контроля оптических деталей - это контроль по дифракционной точке. Наиболее простой и наглядный метод контроля однокомпонентных зеркальных и линзовых объективов астрономических приборов в XVII-XVIII веках.