автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Анализ и синтез методов и средств контроля оптических систем с дифракционно ограниченным качеством изображения

ос?

■•—* Министерство общего и профессионального образования о_ Российской Федерации

ЁЛНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ I/ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 531.714.2

КИРИЛЛОВСКИЙ Владимир Константинович

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ДИФРАКЦИОННО ОГРАНИЧЕННЫМ КАЧЕСТВОМ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики (Техническом университете).

Официальные оппоненты: доктор технических наук Духопел И.И. доктор технических наук, профессор Пуряев Д.Т. доктор технических наук, профессор Сухопарое С.А.

Ведущая организация: АО ЛОМО, Санкт-Петербург

Защита состоится " 21" ОГ) РёЛ & 1998 г. на заседании Диссертационного Совета Д 053.26.01 при Санкт-Петербургском Институте Точной Механики и Оптики (197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д.14.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в трех экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу Ученому Секретарю Диссертационного Совета

Автореферат разослан " "_1998 г.

Ученый Секретарь Диссертационного

Совета Д 053.26.01,

кандидат технических наук, доцент

и

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Современное оптическое приборостроение характеризуется увеличением объемов выпуска оптической продукции, совершенствованием ее технических характеристик, необходимостью создания и производства новых классов приборов и систем.

К оптике нового класса могут быть отнесены, например, оптические системы космических телескопов, высококачественные объективы исследовательских микроскопов, объективы оптических приборов для технологий микроэлектроники, оптические системы лазерных устройств записи и воспроизведения информации. Эти группы оптических систем могут соответствовать своему назначению прежде всего при условии достижения предельно высоких оптических характеристик качества изображения, когда волновой фронт, сформированный оптической системой, не имеет отклонений свыше нескольких сотых долей длины световой волны от формы, соответствующей идеальному качеству изображения. При этом по концентрации энергии изображение, построенное реальной оптической системой, должно лишь на несколько процентов отличаться от идеального, то есть предсказанного теорией дифракции.

Выполнение этих задач невозможно без совершенствования и развития методов и средств контроля и аттестации оптической продукции; возможностями этих средств сейчас во многом определяется успешное развитие оптической промышленности и аппаратуры. В то же время применяемые в производстве средства оптического контроля и исследования нередко по своим возможностям и характеристикам не отвечают современным требованиям. Редко применяется их унификация, не налажены разработка и изготовление в нужных объемах. В целом производство испытывает нехватку современных приборов оптического контроля. Преобладают субъективные визуальные оценки. Слабо решаются задачи комплексного оснащения рабочих мест в условиях крупномасштабного производства, торговли, эксплуатации и ремонта.

Основным препятствием в решении указанных задач до недавнего времени являлся недостаток методов и аппаратуры для исследования и контроля форсированных параметров оптических систем с необходимой чувствительностью и точностью. Дефицит этих средств можно во многом объяснить неразработанностью общей теории методов и аппаратуры оптических исследований,

которая позволяла бы как систематизировать существующие методы и средства с необходимой четкостью, так и прогнозировать создание новых методов и аппаратуры согласно возникающим задачам.

Диссертация посвящена разрешению этих проблем.

Диктуемые практикой задачи требуют сегодня и разработки автоматизированных систем оптического контроля. Попытки такой автоматизации путем прямого технического моделирования операций визуального контроля не всегда дают эффективные результаты. Таким образом, актуальность темы настоящей работы, которая является результатом двадцатилетней деятельности автора в области оптических средств исследования и контроля, определяется острой потребностью современного оптического приборостроения в оснащении современными приборами оптического контроля, существенной зависимостью прогресса оптического приборостроения от развития методов и средств оптического контроля.

Цели работы.

Анализ существующих и разработка новых методов и средств оптических исследований и контроля с расширенными возможностями и улучшенными метрологическими характеристиками. Создание основ теории и методики анализа и синтеза методов и средств для оптических исследований и контроля; на основе этой теории - разработка системы и принципов проектирования унифицированных, автоматизированных,

гибкопереналаживаемых приборов. Разработка и реализация методов, схем и средств исследования и контроля, обеспечивающих предельно высокое качество изображения выпускаемых оптических систем, ограниченное, в основном, лишь дифракцией.

Задачи исследования.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обобщенный анализ, развитие и автоматизация методов экспериментального исследования и контроля характеристик качества оптическохо изображения в динамическом диапазоне перепада освещенности в изображении свыше пяти порядков при отклонениях от идеального качества изображения, соответствующих ошибкам 0,02 длины световой волны и менее.

2. Обобщенный анализ, развитие и автоматизация методов исследования и контроля деформаций волнового фронта, вызванных несовершенством оптических систем, поверхностей и сред, с чувствительностью и точностью на уровне 0,0 IX.

3. Создание теории (как системы научных принципов, идей и положений), позволяющей:

- обобщить практический опыт в области оптических исследований и контроля;

- найти действующие в этой области закономерности;

- наиболее эффективно применять существующие методы и средства оптического контроля и исследования;

- предсказывать, находить и разрабатывать новые методы и средства оптического контроля и исследования согласно возникающим задачам.

4. Хозяйственное и научное применение результатов исследований и разработок.

Научная новизна работы.

Основные новые научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.

1. Впервые создана обобщающая теория методов и средств оптического исследования и контроля как инструмент глубокого изучения их свойств и возможностей. Построена периодическая развитая система их одном ерных и двумерных функции преобразования (ФП); предложен ряд инвариантных уравнений для их аппроксимации.

2. На основе разработанной теории развиты принципы анализа существующих методов оптического исследования и контроля и синтеза принципиально новых методов, обладающих заданными возможностями в соответствии с требованиями науки и практики.

3. На основе предложенной теории развиты принципы анализа и синтеза устройств для оптических исследований и контроля, как средства создания схемных решений приборов, формирующие базу для функционально-модульного проектирования унифицированных, гибхоперепалаживаемых комплексов специализированных и универсальных автоматизированных приборов для широкого оснащения цеховых рабочих мест в оптическом производстве, а также для обеспечения уг лубленных лабораторных исследований, в том числе уникальных и особосложных оптических систем и приборов.

4. На основе разработанной теории и развитых принципов исследованы свойства средств интерферометрического контроля, что дало возможность разработать, усовершенствовать и автоматизировать лазерные интерферометры с дифрагированным эталонным волновым фронтом, не содержащие образцовых оптических деталей и поэтому способные обеспечивать интерферометрию с наивысшей точностью.

5. На основе разработанной теории предложен, разработан и реализован в комплексе приборов и методик универсальный изофотометрический метод, впервые позволяющий выполнять при оптических исследованиях и контроле прямое экспериментальное исследование в реальном времени функций рассеяния точки (ФРТ) и линии (ФРЛ) в необходимом для практики широком диапазоне перепада интенсивностей, превышающем пять порядков, и эффективно решать ряд других задач по исследованию и обработке оптического изображения и контролю параметров оптических систем.

6. Введено обобщающее понятие универсального изометрического метода исследований и контроля. На основе разработанного аппарата инвариантных функции преобразования проведены глубокие аналогии между изофотометрическими и интерферометрическими методами в части механизма обработки информации. Этот анализ позволяет рассматривать интерферометрию как частный случай обобщенного метода изометрии.

7. На основе найденных принципов синтеза разработана система модификаций изофотометрического метода, расширяющих ею возможности, в том числе способы изо фотометрии:

- с переменным накоплением энергии; - с изменяющимся световым потоком;- с тест-объектом пространственно-переменной яркости; - с многоканальным регулированием чувствительности приемника изображения, и другие.

8. Разработан ряд методик интерпретации результатов изофотометрического анализа функции рассеяния.

9. Выполнены исследования особенностей и метрологических возможностей системы методов изофотометрии, дана классификация предлагаемых их разновидностей.

10. Разработаны методики и алгоритмы определения функции концентрации энергии (ФКЭ) и фотографической разрешающей способности по данным изофотометрии ФРТ и ФРЛ.

11.Предложены и реализованы методики изофотометрического исследования ФРТ телескопа в процессе наблюдения звезд и звездных скоплений.

12. Предложена методика обнаружения и исследования тесных разноярких двойных звезд и звездных скоплений средствами изофотометрии.

13.Исследованы возможности и погрешности методов изофотометрии. Предложена и реализована методика калибровки фотоматериала (с учетом эффекта Шварцшильда) путем изофотометрии картины дифракции лазерного пучка на точечной диафрагме.

14. На основе аппарата ФГ1 еинтезнрован метод изофотометр!Ш прямых полос, на основе которого разработаны методики высокоточной юофотометрии неравномерности распределения освещенности по полю оптического изображения фотографических и телевизионных объективов, позволяющие исследовать малые колебания интенсивности равномерно освещенного поля с погрешностью, не превышающей 3% от уровня вариаций интенсивности, что связано с уникальным свойством изофотометрических систем поддерживать постоянное отношение сигнала к шуму на всем диапазоне регистрируемого перепада интенсивностей.

15. Навдена изофотомеггрическая методика исследования структуры лазерного пучка в широком динамическом диапазоне

(5 порядков и более).

16. Предложены и реализованы методики автоматизированной обработки в реальном времени изображений, сформированных средствами оптических исследований и контроля, и функциональные решения электронной аппаратуры для реализации этих методик, в их числе:

- метод изофотометрического анализа структуры изображения; метод умножения частоты, формирования контуров и линии центров интерференционных полос, что позволяет повысить точность интерферометрии в 20 и более раз;

- метод устранения влияния вибраций на точность оптических исследований, что способствует существенному повышению точности и достоверности интерферометрии и изофотометрин при наличии вибраций, а подчас создает возможности измерения и контроля в условиях, когда их проведение было бы невозможно.

17. На базе предложенного аппарата ФП разработана методика повышения точности расшифровки гартманограмм более чем на порядок при одновременном повышении надежности и достоверности контроля, снижении влияния вибраций и атмосферных флюктуации на погрешности измерений.

18. Разработаны и реализованы в серийном приборе принципы построения, методические и схемные решения автоматизированного универсального телевизионного комплекса анализа интерферограмм (ТАИ-1), позволяющего в сочетании с прецизионными интерферометрами контролировать и исследовать в реальном времени аберрации оптических систем и ошибки поверхностей с повышением точности расшифровки до уровня 0,01 длины световой волны и точнее.

19. Выполнен анализ возможностей интерферометра сдвига с дифракционной решеткой; обоснована и реализована в виде приборов возможность создания на его основе средств

автоматизированного контроля центрировки оптических элементов одновременно с контролем их качества, полевых аберраций и хроматизма, а также контроля полимерных оптических деталей, в частности - линз Френеля.

20.Получены экспериментальные и промышленные подтверждения высокой эффективности разработанных методов и приборов оптических исследований и контроля в практике оптического производства.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Разработанные теоретические положения и принципы синтеза методов и приборов оптических исследований и контроля, развитые в настоящем исследовании, открыли путь к решению проблемы создания и промышленного освоения комплекса эффективных методов с повышенной чувствительностью, производительностью и надежностью, а также унифицированного комплекса автоматизированной и гибкопереналаживаемой аппаратуры оптического контроля, построенного по функционально-модульному принципу, конструктивно простой и технологичной при ее серийном производстве.

2. Разработан изофотометричеосий метод измерения ФРТ оптической системы и комплекс автоматизированной аппаратуры фотографической и фототелевизионной изофотометрии; метод и аппаратура позволяют эффективно исследовать, а также выполнять технологический и аттестационный контроль крупногабаритных астрономических зеркал (в том числе и диаметром 6 м для крупнейшего телескопа БТА), что дало возможность впервые экспериментально определить функцию рассеяния методом ее прямого измерения в диапазоне свыше 4 порядков перепада освещенности.

3. Разработанный метод и аппаратура телевизионной изофотометрии ФРТ крупногабаритных зеркал позволяют обеспечивать исследования, контроль и аттестацию крупногабаритных астрономических зеркал диаметром 6 м, 2.6 м, 1.2 м путем экспериментального определения функции рассеяния методом ее прямого измерения в широком диапазоне 4 - 5 порядков перепада освещенности.

4. Разработанные и реализованные метод и телевизионно-оптическая установка контроля спектральной аппаратуры позволяют проводить исследования, контроля и выполнения операций юстировки кассеты спектрографа в фокальной плоскости по форме аппаратной функции в реальном времени.

5. Разработанный и испытанный в условиях производства унифицированный ряд приборов для оптических исследований и

контроля средне- и крупногабаритных оптических деталей и систем, в том числе новый интерферометр с дифрагированной эталонной волной, теневой прибор нового типа, без поперечного разноса пучков и без полупрозрачного светоделителя, интерферометр сдвига с дифракционной решеткой для исследования хроматизма, изофотометры ФРТ и ФРЛ позволяют проводить исследования и контроль характеристик качества прецизионных оптических систем (в том числе и с дифракционно обусловленным качеством изображения) с наивысшей чувствительностью и точностью, в непревзойденно широком динамическом диапазоне и в реальном времени.

6. Для решения задач создания и производства микрооптики на ЛОМО разработан и реализован комплекс методов и приборов контроля современной оптики микроскопов с форсированными оптическими характеристиками, в том числе: специальный интерферометр с дифрагированным эталонным волновым фронтом; всеволновый виброустойчивьга интерферометр сдвига с дифракционной решеткой для контроля хроматизма и полевых аберраций микрообъективов; изофотометрическая оптико-телевизионная аппаратура и метод для исследования и контроля ФРТ, ФРЛ и определения функции передачи модуляции (ЧКХ) микрооптики; автоматизированный интерферометр для центрирования склеенных компонентов микрооптики.

7. Разработанные и реализованные метод и телевизионно-оптическая аппаратура контроля по ФРЛ качества изображения выпускаемых панкратических объективов крупносерийного производства объективов, интерферометр для контроля хроматических аберраций и изофотометр для исследования неравномерности освещенности поля изображения объектива позволяют обеспечить производство оптических систем этого класса современной эффективной аппаратурой контроля.

8. Разработанная и испытанная методика широкодиапазонного изофотометрического исследования структуры лазерных пучков перспективна для применения в лазерных технологиях.

9. Разработанные методы и аппаратура изофотометрической трансформации структуры оптико-измерительных интерференционных, гартмановских и теневых изображений позволяют повысить более чем на порядок точность расшифровки данных оптического контроля и соответственно повысить чувствительность операций контроля в части обнаружения ошибок и аберраций волновых фронтов; метод и аппаратура дополнены созданными средствами умножения полос, обеспечивающими повышение точности и чувствительности контроля еще на порядок.

10. Разработанная схеиа нерасстраиваемого интерферометра с дифрагированным эталонным волновым фронтом на основе монолитной полусферы закладывает базу нового семейства особопрецизионных интерферометров простой и технологичной конструкции, которые могут использованы в том числе и как приборы для контроля пробных стекол и эталонных поверхностей для других типов интерферометров.

11. Найденные принципы, разработанные методы и установки нашли применение в действующем производстве и научных исследованиях, в том числе на ЛОМО, ЛЗОС, в CAO Академии Наук, и внедрены в учебный процесс в ГИТМО(ТУ).

Личный вклад автора в разработку проблемы.

Автором предложены и всесторонне разработаны теоретические основы и основополагающие принципы анализа и синтеза методов и средств оптического контроля; на основе созданной теории системно разработаны, развиты и введены в практику наиболее важные методические и схемные решения по всем пунктам перечисленных научных и практических результатов; все указанные результаты получены непосредственно автором либо под его прямым научно-техническим руководством и при решающем участии.

Апробация работы.

Результаты работы доложены:

1) на Всесоюзной научно-технической конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы", ЛИТМО, 1975г.

(2 доклада);

2) на Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития высокоскоростной фотографии и кинематографии", АН СССР, ВНИИОФИ, Москва, 1975 г.;

3) на семинаре "Опыт создания АСУ технологическими процессами на предприятиях Ленинграда и области", ЛДНТП, 1976 г.;

4) на семинаре "Опыт внедрения про1рессивных методов и средств размерного контроля", ЛДНТП, 1977 г.;

5) на совещании Комиссии астрономического приборостроения при Астрономическом совете АН СССР, Пулково, октябрь, 1976 г.,

(4 доклада);

6) на Всесоюзной конференции "Формирование оптического изображения и методы его коррекции", АН БССР, институт физики, г. Могилев, 1979 г.

7) на Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы современного астрономического приборостроения", Дом Оптики, Москва, декабрь, 1979 г.;

8) на научно-технической конференции "Использование лазеров в современной науке и технике", ЛДНТП, 1980 г.;

9) на 4-й Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", АН СССР, ВНИИОФИ, Москва, 1983 г.;

10) на Четвертой Национальной конференции "Оптика-89", 18-20 мая 1984 г., г. Варна, Болгария, (2 доклада);

11) на Третьей Национальной конференции с международным участием "Оптика и лазерная техника, Оптика-87",г. Варна, Народная республика Болгария, май, 1987 г., (2 доклада);

12) на семинаре в рамках "Недели СССР", комбинат "Онтикоэлектрон",г. Панапорище, Народная республика Болгария, май, 1987 г., (2 доклада);

13) на совещании на ПО "Оптика", г. София, Народная республика Болгария, май, 1987 г.;

14) на 34-м Международном коллоквиуме, 1989 г., Германская Демократическая Республика;

15) на научно-техническом семинаре "Автоматизация контроля в гибком производстве", г. Севастополь, сентябрь, 1986 г.;

16) на школе-семинаре "Проектирование и изготовление научной аппаратуры", ОКБ института космических исследований АН СССР, г. Фрунзе, сентябрь, 1987 г.;

17) на конференции Международного Оптического общества (SPIE) "Микрооптика", июль 1992 г., Сан-Диего, Калифорния, США;

18) на конференции Международного Оптического общества (SP1E) "Микрооптика и микромеханика", 15 июля 1993 г., Сан-Диего, Калифорния, США;

19) на Международной конференции по компьютерной графике и визуализации, С.-Петербург, 1993 г.;

20) на 28-й научно-технической конференции ГИТМО 31.01. -2.02.1995 г., С.-Петербург.

21) на 29-й научно-технической конференции ГИТМО,1997 г.

Материалы доложены и всесторонне обсуждены на совещаниях завершающего этапа изготовления и аттестации шестимстрового зеркала телескопа БТА при участии Председателя секции физики и астрономии АН СССР, академика А.М.Прохорова, директора CAO И.М.Копылова, начальника отдела ГАО (в Пулкове), Н.Н.Михелъсона, представителей АН СССР Фоменко

A.Ф., Витриченко Э.А., Коровяковского Ю.П.; представителей ГОИ им. С.И.Вавилова начальника лаборатории И.И.Духопеяа и вед. инженера М.А.Уханова; представителей JJOMO главного инженера Объединения Р.М.Кашерининова, главного инженера ЦКБ

B.А.Зверева; главного конструктора астрономических телескопов

Б.К.Иоаннисиани; зам. главного технолога Г.И.Амура; зам. нач. СКБ М.Н.Сокольского.

Результаты работы включены в курсы лекций, практические и лабораторные занятия, проведенные в 1978-88 гг. по 6-ти программам обучения с группами специалистов промышленности (начальников лабораторий, ведущих и старших инженеров) -слушателей отраслевого факультета повышения квалификации МИПК при ЛИТМО; в общей сложности в ходе этих занятий материалы, лежащие в основе данной работы, изучили и обсудили на семинарах более чем 1000 специалистов оптической промышленности. Их положительные отзывы об изученном материале отражены в соответствующих анкетах слушателей, направляемых в отраслевое Министерство.

Разработанные автоматизированные приборы оптического контроля крупногабаритных деталей и систем, включая телевизионный изофотометр, удостоены медали ВДНХ.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы нашли отражение в 78 научных работах, включая монографию "Проектирование и контроль оптики микроскопов", 10 учебных пособий ЛИТМО, изложены в 14 отчетах НИР , проведенных на ЛОМ О, защищены 15 авторскими свидетельствами, изложены в 24 докладах на Международных и Всесоюзных конференциях и семинарах.

Научные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносится общая концепция анализа и синтеза методов и средств оптического исследования и контроля, включающая положения о том, что:

1. Обобщение, уяснение и систематизацию закономерностей и практического опыта, действующих в области оптических исследований и контроля, целесообразно осуществлять на основе развитого в данной работе аппарата универсальных функций преобразования, описывающих работу системы оптического исследования и контроля.

2. Многообразие существующих и вновь создаваемых методов и средств оптических исследований и контроля может быть эффективно структурировано и систематизировано при помощи созданной в данной работе системы одномерных и двумерных ФП, причем система многообразных функций преобразования, свойственных методам и средствам оптического контроля и исследований, находит глубоко обобщенное воплощение в форме предложенной здесь периодической таблицы ФП; эта периодическая

таблица дает возможность устанавливать взаимосвязи и закономерности, связывающие отдельные методы и средства оптических исследований, находить глубокие параллели между ними, полно описывать и осознавать возможности существующих и традиционных методов и средств оптического контроля и исследования, а также предсказывать и находить новые методы и средства оптического контроля и исследования в соответствии с возникающими задачами.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

1. Теория функций преобразования, описывающих методы оптического контроля и исследований, выраженная в форме системы ФП, наглядно представленных уравнениями на основе специальных функций и сведенных в периодическую таблицу. При этом периодическая система одномерных и двумерных ФП создает возможность анализировать существующие методы, синтезировать новые, неизвестные ранее, методы оптического контроля и исследований, и выводить математические выражения для их описания и моделирования, в том числе и компьютерного.

2. Результаты поиска глубоких параллелей методу интерферометрии и созданный метод изофотометрни структуры оптического изображения для двумерного анализа структуры и качества изображения в непревзойденно широком динамическом диапазоне. Научное обобщение позволило на основе изофотометрни как частного случая выйти на понятие фундаментального метода тометрш, рождающего новые подходы практически во всех областях исследований полей, как пространственных, плоскостных и К-иернмх распределении физических величии.

3. Результаты исследования изофотометрни и найденная совокупность новых гоофотометрических .методов, построенная на основе предложенной системы функций преобразования.

4. Результаты анализа ряда схем оптического контроля и исследований, их обобщение на основе предложенных принципов функционально-модульного проектирования; разработанные принципы анализа схем на базе теории ФП; принципы синтеза схем и средств оптического контроля и исследований на основе системы функциональных модулей и введенного понятия центрального модуля-анализатора, связанного с требуемой функцией преобразования.

5. Результаты анализа развитых (на основе созданных теоретических предпосылок) и вновь разработанных методов и средств оптического контроля и исследований; обоснование их уникальных возможностей, создающих новое пространство методов и средств с непревзойденными возможностями.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения; содержит 251 стр. основного текста, 74 стр. рисунков, списка литературы из 75 наименований на 5 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, сформулирована цель работы, указаны основные научные результаты и положения, определены научная новизна, практическая ценность и области применения результатов исследования, приведены сведения об апробации работы и о публикациях по теме исследования, изложена структура работы.

В первом главе дан очерк истории развития методов и схем оптического контроля и исследований. Проанализированы место и задачи оптического контроля и исследований в процессе создания, производства и применения оптических систем и приборов. Современное оптическое приборостроение характеризуется непрерывным увеличением объемов выпуска продукции при одновременном совершенствовании ее технических характеристик. Увеличивается доля изделии с форсированными оптическими характеристиками, появляются новые классы оптических приборов, систем и деталей, отличающиеся существенно повышенным качеством и точностью. На этапе проектирования оптической системы стремятся к улучшению расчетной коррекции аберраций; одновременно совершенствуются методы расчетной оценки качества спроектированной оптической системы.

На этапе изготовления необходимо обеспечить соответствие расчету параметров оптической системы в условиях производства с заданной серийностью. Решение этой задачи в наше время немыслимо без дальнейшего совершенствования методов и средств оптического контроля, возможности которых во многом определяют успешное развитие оптического приборостроения. Все чаще разработку и создание оптических систем с экстремальными характеристиками качества ведут параллельно с разработкой соответствующих по своим возможностям средств исследования и контроля согласно комплексу следующих требований: - повышение производительности, оперативности, чувствительности контроля, точности измерений; - автоматизированный контроль по ходу технологических операций, предпочтительно - в реальном времени. Для выпуска оптических систем и деталей новых классов точности требуются методы и приборы оптического контроля с новыми возможностями: - порог чувствительности контроля, т.е. возможность прямого обнаружения ошибок и дефектов, а также

погрешности измерений, должны быть уменьшены до уровня сотых долей световой волны; - необходимо расширение полноты контроля, т.е. круга контролируемых параметров.

Распространенные экспертные методы качественных оценок необходимо дополнять методами приборными, количественными, объективными. Таким образом, сложилась настоятельная потребность в определении обобщенных принципов разработки и проектирования методов и аппаратуры оптических исследований и контроля. Сведения о качестве изображения, построенного изготовленной оптической системой, могут быть получены двумя путями: прямым и косвенным. Способы прямой оценки состоят в наблюдении и исследовании изображения тест-объекта, которое сформировано испытуемой оптической системой или элементом в схеме контроля. Способы косвенной оценки состоят в измерении поверхности деформаций волнового фронта и расчете характеристик и качества изображения, сформированного исследуемой оптической системой. Косвенные методы оценки качества изображения позволяют учитывать вклад в изображение конкретных ошибок и аберраций оптической системы. При этом определяется та составляющая характеристики качества изображения, которая связана с макродеформациями волнового фронта, и остается неучтенным вклад в реальную структуру изображения микродеформаций волнового фронта, а также факторов, вызывающих появление рассеянного света. Способы прямой оценки позволяют учесть все без исключения составляющие характеристики качества реального изображения, построенного оптической системой однако не указывают форму и величину конкретных ошибок. Таким образом, методы прямой и косвенной оценок качества изображения являются взаимо-дополняющими и в ответственных случаях применяются совместно.

Обобщенное рассмотрение методов экспериментальной оценки оптических систем показывает, что предметом оценки являются параметры волнового фронта. При этом в зоне зрачка (зона I) исследуются фазовые отклонения (деформации волнового фронта); в зоне изображения (зона II) исследуются амплитудные изменения (распределение интенсивности). Соответствующим образом, методы и приборы оптических исследований и контроля классифицируются по назначению как средства исследования фазовых либо амплитудных характеристик волнового фронта, сформированного оптической системой.

Вторая глава показывает результаты анализа совокупности методов и схем оптического контроля и исследований, их систематизацию на основе созданного в рамках данной работы аппарата функций преобразования (ФГ1). Вводится понятие

развитой функции преобразования, свойственной методу и средству оптического контроля и исследования, где ФП - функция одной или нескольких переменных, заданным образом связывающая параметры объекта исследования, отображенные в структуре волнового фронта, сформированного в схеме контроля или исследований, со структурой формируемого в схеме контроля оптико-измерителыюго изображения (например, интерферограммы, теневой картины, пятна рассеяния и т.д.).

В современной практике общая ФП метода оптического контроля и исследований складывается, по крайней мере, из двух составляющих:

1) ФП оптической установки контроля (ФП первого порядка);

2) ФП приемника-анализатора оптико-измерительного изображения (ФП второго порядка).

Рассмотрены ФП основных традиционных методов оптического контроля и исследований в зонах I и II. Показано, что большинство этих методов характеризуется плавной функцией преобразования, которая обычно связывает величины входного и выходного сигналов зависимостью, близкой к линейной. Так, при экспериментальной оценке качества изображения путем фотографической фотометрии характеристическая кривая фотоматериала на прямолинейном участке связывает оптическую плотность фотографического почернения Оп с логарифмом экспозиции Н чфез коэффициент контрастности у:

Вп = у18Н 0) Плавная световая характеристика фотоэлектрического приемника излучения при фотоэлектрической фотометрии структуры изображения связывает его первичный ток 1Ф с величиной падающего светового потока Ф через коэффициент уФЭС, определяющий зависимость между числом действующих фотонов и числом возникающих электрических зарядов:

1Ф = Гфэс & (2) Далее следует рассмотрение традиционных методов исследования искажений волнового фронта. На примере количественного теневого метода Фуко-Филбера, использующего в качестве источника света полубесконечную щель, показано, что для него действует линейная ФП как зависимость освещенности Ет в теневой картине от поперечной аберрации Я' (связанной с деформацией исследуемого волнового фронта) с коэффициентом пропорциональности к: Ет-кЯ' (3)

С другой стороны, анализ ФП метода интерферометрии деформаций волнового фронта показывает, что относительная интенсивность в интерференционной картине Т связана с

искажениями волнового фронта со (в волновой мере) периодической зависимостью: 7 = cos1 ко. (4)

Здесь ?" = /,//„, где I, - значение интенсивности в данной точке интерференционного изображения; 10 - интенсивность в той же точке при отсутствии аберрации; со = IV / Я ; где IV - нормальное отклонение волнового фронта; А - длина волны излучения в интерферометре.

Анализируя ФП интерферометра, видим, что, в отличие от рассмотренных выше линейных ФП , здесь интенсивность связана не линейной, а периодической зависимостью с измеряемой величиной -волновой аберрацией. Анализ показывает ряд преимуществ, создаваемых здесь периодической характеристикой чувствительности: - наглядное отображение карты ошибок волнового фронта, где интерференционные полосы играют роль изолиний; - количественный характер метода, где интерферограмма удобна для прямых геометрических измерений координат положения полос, связанных с исследуемыми ошибками волнового фронта.

При настройке интерферометра на режим "прямолинейных полос" вносится взаимный заклон образцового и рабочего волновых фронтов на угол в, причем возникает несущая частота v :

sin б

При этом ФП такого поперечно расфокусированного интерферометра принимает вид: I = «^[гфу+<»)] (6), где у - пространственная координата.

Работу интерферометра в режиме поперечной расфокусировки удобно рассматривать, введя понятие двумерной ФП метода оптического контроля и исследований. Введение в характеристику преобразования дополнительной координаты (здесь - заклон на угол О ) позволяет достичь качественного скачка, когда карта деформаций волнового фронта (как система изолиний -"горизонталей" карты деформаций с шагом дискретизации, равным или кратным длине световой волны) преобразуется в систему "прямых полос" с искривлениями, соответствующими ошибкам исследуемого волнового фронта, как систему профилей поверхности этих ошибок. Такой прием повышает наглядность интерферограммы, облегчает ее расшифровку и особенно важен, когда измеряемые ошибки меньше шага дискретизации. Третья глава показывает развитие аппарата ФП метода оптического контроля и исследований и разработку принципов синтеза методов оптического исследования и контроля. Дается анализ возможностей и ограничений методов и средств оптического контроля и

исследований, обладающих плавными характеристиками чувствительности; их недостатки: - ограниченный динамический диапазон, лежащий в рамках линейного участка ФП; - низкая чувствительность визуальных измерительных наводок, связанная с нечеткостью элементов оптико-измерительного изображения (теневая картина, пятно рассеяния, пятна гартманограммы); -высокая избыточность информации при автоматизированной расшифровке и интерпретации таких оптико-измерительных изображении.

Далее дано развитие системы квазиодномерных ФП, предназначенных дня устранения выявленных недостатков и получения эффективных методов и средств оптического контроля, обладающих новыми свойствами и расширенными возможностями, в числе которых: - повышение точности измерений; - увеличение чувствительности контроля; - рост производительности;- повышение эффективности, оперативности, полноты контроля.

Предложен ряд типовых ФП, которым присвоены условные названия, взятые в кавычки, по признаку внешней формы графика функции. При этом попарно рассматриваются непериодическая и соответствующая ей периодическая ФП.

Поскольку рассматриваемые инвариантные зависимости могут связывать между собой в разных конкретных случаях разные величины, для всех ФП приняты единые значения функции и аргумента: 1¥у2 - независимая переменная, соответствующая исследуемому двумерному параметру; 1у'у - зависимая переменная, соответствующая двумерному распределению интенсивности в оптико-измерительном изображении.

В принятый ряд базовых ФП внесены:

- ФП метода оптического контроля и исследований типа "клин":

I = IV tga, где ща - градиент;

- периодическая ФП метода оптического контроля и исследований

N

типа "пила": / = ^(¡Г-пХ^а , где О й I ^ Ау, tga , Л* - период функции по оси Ж; п - число импульсов;

- ФП метода оптического контроля и исследований типа "скачок"аппроксимируется единичной функцией:

/= 1(ио • +1(и/-ид - 1тп)

или 7= 1 при РГ^О ОприЖйО;

- периодическая ФП метода оптического контроля и исследований

N

типа "лестница": / =

- ФП метода оптического контроля и исследований типа "подкова"; наглядно может быть аппроксимирована выражением:

- периодическая ФП метода оптического контроля и исследований типа "синусоида": /= 1 + cos (2я#7Я^У,

- ФП метода оптического контроля и исследований типа "импульс", которая может быть наглядно представлена выражением с участием

¿■функции: / = <5(И0 = Иш N ехр(-Л^ л W ), или I{W)=\Imex при W = 0 |0 при W* 0;

- периодическая ФП метода оптического контроля и исследований

типа "1ребенка", которая может быть наглядно представлена

N

выражением: JyiZ = comb(W= £S(W- пЛ„) где Xy, <, W<n,или, на практике:

ЛЮ=1тах при Ж/Л, = 0,1,2,3.....

О при WIК * 0.1,2,3____

Показаны возможности и достоинства ФП каждого вида. Анализ показал, что разработанная система ФП указывает методические основы представления функции, характеризующей качество объекта исследования, различными трансформированными функциями, дающими ряд специальных положительных эффектов, таких как сокращение избыточности информации, улучшение наглядности и выявление новых деталей и свойств объекта, повышение чувствительности контроля и точности измерений, повышение оперативности и производительности, упрощение задачи автоматизации контроля и исследований. При этом сам прибор оптического контроля и исследования рассматривается как устройство обработки исходной информации, т.е. в определенном смысле выступает в роли оптического или оптико-электронного вычислительного устройства.

Следующим шагом стало создание системы двумерных ФП на основе предложенных обобщенных принципов синтеза развитых функций преобразования. Разработана периодическая таблица системы ФП. Развитая система одномерных и двумерных ФП позволяет анализировать и систематизировать существующие методы и средства оптического контроля и исследования, выявлять в них свойства и возможности, как ранее не использованные, так и не выявленные.

В табличном выражении мы получаем периодическую систему ФП, имеющую ряд ячеек, показывающих функции преобразования и

свойства как традиционных, так и не известных ранее методов оптического контроля и исследования, что позволяет прогнозировать и находить новые научно-технические решения, разрабатывать требуемые методы и средства оптического контроля и исследования, предсказывать и анализировать их свойства и возможности, пути технической реализации, генеалогию и направление развития.

На базе системы ФП разработаны новые методы оптического контроля и исследования, подробно описанные в последующих главах. В их числе:

- методы изофотометрии функции рассеяния ФРГ и ФРЛ, имеющие непревзойденный динамический диапазон перепада анализируемых интенсивностей оптического изображения при работе в реальном времени; эти методы, кроме того, позволяют упростить автоматизацию контроля качества изображения по форме функции рассеяния, задействуя, если потребуется, автомат обработки интерферограмм;

- метод оконтуриванвя и умножения интерференционных полос, повышающий точность интерферометрии до значений

Я/40 - Я/500;

- метод измерения малых неравномерностей освещенности в поле изображения объектива с непревзойденной точностью, в двумерном режиме и в реальном времени;

и ряд других разработок.

Глава четвертая показывает примеры синтеза методов оптического контроля и исследования на базе развитого аппарата ФП. Метод изофотометрии ФРТ базируется на разработанной системе ФП. Метод описывается ФП типа "гребенка (comb)", которая может быть наглядно представлена выражением:

N

= comb(E) Л г ) = 2 ё(Е-п Я ,,),

»=1

где ÄE <ENXe , или, на практике

1ул = U при ЕМе -0,1,2, 3....

0 при 0,1, 2, 3....

На сегодняшний день автором найден и показан в диссертации рад модификаций метода изофотометрии.

С другой стороны, синтезирована двумерная ФП типа "импульс-клин", аппроксимируемая выражением:

На основе этой ФП созданы метод - изофотометрия ФРЛ - и аппаратура для его реализации, использующая тест-объект "светящаяся линия переменной яркости" и блок выделения контура

(изофоты) в изображении данного гест-объекта испытуемой оптической системой. Выделенная гоофота имеет форму графика ФРЛ исследуемой оптической системы, имеющей логарифмический масштаб по шкале интенсивностей и диапазон регистрируемого перепада освещениостей 104, что позволяет с высокой достоверностью рассчитать ЧКХ данной системы. (Традиционные установки контроля ЧКХ основаны на измерении ФРЛ в диапазоне только 102 , что приводит к низкой воспроизводимости результатов.)

Дано сопоставление 1руппы традиционных методов оптического контроля и исследования и группы соответствующих вновь синтезированных методов того же назначения, но с радикально новыми возможностями. В частности, предложены три группы принципов синтеза периодической ФП типа "гребенка", что позволило предложить многообразные разновидности метода изофотометрии и решения устройств для его реализации. Ряд этих решений приведен в перечне практических результатов данной работы. Исследование показало возможность проведения глубоких аналогий механизмов метода изофотометрии с методом интерферометрии. Так, в числе других, предложен метод "фазовой" изофотометрии, основанный на синтезе сканирующей во времени изофотометрической ФП. Другим развитием этой аналогии служит метод изофотометрии неравномерности освещенности поля изображения оптической системы с представлением системы прямолинейных изофот, прогибы которых указывают ряд профилей неравномерности освещенности.

Взаимовлияние синтезируемых методов оптического контроля и исследования с достижением новых результатов и свойств иллюстрируется также на примере предложенного (и реализованного в виде серийного прибора) метода изометрии второй производной функции пространственного распределения интенсивности, позволяющего, например, выделять центры (оси) интерференционных полос. Эта разработка дала возможность создать автоматизированный интерферометр нового типа, позволяющий повысить точность расшифровки интерферограмм в 10-40 раз в реальном времени.

Дальнейшее повышение точности считывания ошибок волнового фронта в реальном времени достигается двумя предложенными в работе и реализованными способами:

1) Операция электронного выделения и визуализации центров интерференционных полос с умножением частоты полос, согласно ФП вида:

- сотЬ

-(уяпв+Ш)

где 1Ж - интенсивность в оконтуренной интерферограмме; в • угол заклона образцового волнового фронта интерферометра относительно рабочего волнового фронта; W - волновая аберрация; у • координата в интерферограмме, ориентированная по нормали к направлению интерференционной полосы; к - коэффициент умножения полос.

Если к =2, то при этом цена шага интерференционной полосы составляет XI4, что создает эффект интерферометрии с использованием излучения, имеющего к « 300 нм.

Анализ показывает, что в результате видимая стрелка прогиба полосы в интерферограмме увеличивается в к раз, если интерферометр после включения электронного удвоения частоты полос перестроить на прежнее (исходное до удвоения) число полос на экране электронного анализатора интерферограммы. При оконтуривании интерферограммы с удвоением частоты полос точность определения координат интерференционных полос возрастает, как показали исследования, в 40 раз по сравнению с точностью измерения необработанной интерферограммы, что соответствует возможности визуального обнаружения деформации волнового фронта на уровне X /200 в реальном времени.

2) Введение генерированной опорной сетки, как геометрической модели идеальной (оконтуренной) интерферограммы, наложенной на реальную ингерферограмму, что еще более повышает точность и достоверность расшифровки и интерпретации интерферограммы в реальном времени. Показано, что предложенная и реализованная здесь блок-схема обработки интерферограммы с процессом оконтуривания позволяет в реальном времени сократить избыточность информации в интерферограмме в 10000 раз, что резко упрощает средства обработки оптико-измерительных изображений, сокращает необходимые вычислительные ресурсы при обработке и позволяет использовать режим реального времени в большинстве случаев. При контроле в интерактивном режиме отпадает потребность в доростоящем программном обеспечении. Несложный блок памяти позволяет зафиксировать изображение контуров и "остановить" интерференционную картину в условиях цеховых вибраций. Это создает предпосылки радикального удешевления и повышения эффективности интерферометрии прецизионных оптических изделий в условиях реальных цехов и лабораторий, а также повышает возможности регистрации быстропротекающих процессов (например, в плазме).

В главе пятой дается обобщенный анализ комплекса приборов оптического контроля и обобщенное рассмотрение задачи создания унифицированного комплекса приборов оптического контроля и

исследования. Исходя из задач контроля дам целей уникального, малосерийного, крупносерийного и массового производства прецизионных оптических элементов и систем предельной точности, задач автоматизации производства и контроля, определены 4 группы приборов и сформулированы требования к каждой группе.

Предложена и исследована обобщенная функциональная структура прибора контроля с его разбиением на унифицированные функциональные модули. На основе разработанного аппарата ФП метода оптического контроля и исследований введено понятие центрального модуля-анализатора, определяющего ФП данного прибора и, следовательно, применяемый метод контроля.

В случае, когда перед окончательной оценкой оптико-измерительное изображение подвергается дополнительной трансформации, устройство, обеспечивающее формирование окончательного изображения для измерений, служит анализатором второй ступени. В этой роли часто выступает приемник-анализатор изображения, позволяющий трансформировать структуру оптико-измерительного изображения в нужном направлении. Прослеживая взаимосвязь характеристик преобразования и схемных решений приборов контроля, обнаруживаем, что форма первичной характеристики преобразования обусловлена конструкцией модуля-анализатора первой ступени, а форма суммарной (полной) ФП данного метода оптического контроля и исследования определяется совместным действием анализаторов первой и последующих ступеней. Показана возможность создания глубоко унифицированного универсального приборного комплекса, где заменой лишь центрального модуля анализатора (при сохранении остальных модулей и элементов конструкции) реализуются 4 принципиально различных метода контроля.

Проанализированы методические основы оптического контроля и исследований с применением унифицированного комплекса автоматизированной аппаратуры.

Рассмотрены расшгренные предпосылки применения ЭВМ в оптическом приборостроении и оптическом контроле и исследовании. В частности, указаны направления дальнейшей компьютеризации при решении задач оптического контроля и исследований.

Показаны пути определения метрологических характеристик комплекса приборов оптического контроля и исследований на основе созданного аппарата ФП.

В частности, показано, что ввиду подобия (инвариантности) ФП, метрологические характеристики таких принципиально различных методов, как интерферометрия и изофотометрия, могут быть найдены из подобных математических выражений.

Точностные характеристики прибора оптического контроля и исследований зависят от принципа и конструкции измерительного преобразователя (модулей - анализаторов 1 и 2-го порядков) и могут быть определены при анализе функции преобразования.

Для повышения точности интерферометра предложено преобразование сто ФП типа "синусоида" к ФП типа "гребенка", которое выполняется модулем - анализатором 2-й ступени (МА2).

Структура полос интерферограммы из размытой (синусоидальной) становится штриховой (импульсной), что позволяет повысить точность измерения координат полос в 20 раз.

Выполненное исследование с целью определения первостепенной потребности в создании ряда оптических контрольных приборов для обеспечения оптического производства подтвердило актуальную потребность в создании модульного унифицированного комплекса специализированных приборов с кардинально повышенной точностью при умеренной стоимости и возможностью оперативной гибкой переналадки на ряд методов и схем для решения всего спектра насущных задач.

Глава б посвящена синтезу приборов контроля оптических систем с дифракционно ограниченным качеством изображения.

Рассмотрены требования к схемным решениям приборов оптического контроля и исследований. Синтез схемных решений осуществляется на основе развитого аппарата ФП и предложенной идеологии функционально-модульного синтеза, сформулированного понятая центрального модуля - анализатора, как средства аппаратной реализации требуемой функции преобразования.

Для решения задачи контроля аберраций, ошибок и качества изображения систем с дифракционно ограниченным качеством изображения определено направление преимущественного синтеза модулей типа безэталонных интерферометров, безаберрационных теневых приборов и широкодиапазонных изофотометров, измеряющих структуру оптического изображения.

Описаны устройства, созданные на основе найденных принципов синтеза методов и аппаратуры:

- унифицированный функционально-модульный комплекс гибкопереналаживаеыых приборов оптического контроля;

- комплекс электронной аппаратуры для обработки данных оптического контроля.

Разработаны 3 разновидности схем интерферометра с дифрагированным эталонным волновым фронтом . В их числе - дифракционный интерферометр на основе стеклянного полусферического моноблока, отличающийся особо высокой нерасстраиваемостью и предельной точностью.

В данных дифракционных интерферометрах генерация неискаженного сферического эталонного фронта волны основана на использовании физического феномена - дифракции лазерного пучка на точечном отверстии диаметром, соизмеримым с длиной волны. В этих приборах отсутствует образцовая оптическая деталь и присущие ей неизбежные остаточные погрешности изготовления.

Испытания и аттестация реализованных приборов не выявили погрешностей, которые превышали бы значения 0,02А.. Практика работы дифракционных интерферометров с созданным в данной работе (на базе предложенного аппарата развитых характеристик преобразования) телевизионным аналоговым анализатором интерферограмм (ТАИ) показала возможность обнаружения и оценки ошибок волнового фронта на уровне 0,005?. в реальном времени в интерактивном режиме. Такие ошибки невозможно обнаружить на интерферограмме в реальном времени другими методами; интерферограмма прецизионного изделия выглядит как идеальная уже при уровне ошибок порядка 0.1Х..

С другой стороны, ннтерферотраммы, соответствующие сложной картине ошибок и зашумленные при контроле сложных систем, не поддающиеся автоматизированной расшифровке на известных комплексах типа Zygo, могут быть без груда измерены и интерпретированы с помощью созданного комплекса ТАИ в интерактивном режиме и реальном времени благодаря участию оператора, вооруженного системой ТАИ как инструментом выявления малых ошибок.

В ходе создания функционально-модульного комплекса аппаратуры оптического контроля и исследований разработан, реализован и исследован дифракционный интерферометр сдвига на базе схемы Ронки, работающий в белом свете и в излучениях с разными длинами волн (с монохроматором), нечувствительный к вибрациям. Исследования показали его высокую эффективность при контроле хроматизма объективов микроскопов и полевых аберраций. Модификации этой схемы позволили создать прибор для интерференционного контроля френелевской оптики и интерферометр для ценгрнрования компонентов объективов. Найдены выражения для определения требуемой частоты решетки и аберраций линзы Френеля исходя из результатов измерений.

Созданный интерферометр для контроля центрировки обладает такими достоинствами как высокая чувствительность и оперативность, простота в реализации и эксплуатации, универсальность, нечувствительность к посторонним помехам и вибрациям, возможность одновременно с центрировкой вести контроль аберраций и ошибок центрируемых компонентов,

возможность реализации аппаратуры автоматической центрировки при использовании данного интерферометра.

Разработанные на базе теории ФП методы и аппаратура изофотометрии позволили достичь эффективного решения проблемы прямого измерения функций рассеяния реальных оптических систем в необходимом для практики широком (до пяти порядков) диапазоне перепада освещенностей, с высокой оперативностью и необходимой степенью автоматизации. Методы и приборы изофотометрии нашли применение при технологическом контроле и аттестации первого и второго 6-метровых главных зеркал крупнейшего астрономического телескопа БТА, главных зеркал диаметром 2,6 м для телескопов ЭТА и ЗТШ, других крупногабаритных астрономических зеркал, а также прецизионных объективов для современных микроскопов, оптических комплексов для цветною телевидения и других оптических систем.

В ходе данного исследования предложены телевизионный изофотометр с накоплением и изофотометр с изменяющимся световым потоком. Первый отличается высокой светочувствительностью. Второй позволил наблюдать и анализировать изофоты в реальном времени, измерять ФРГ в диапазоне 10б перепада освещенностей для надежного определения функции концентрации энергии в пятне рассеяния, использовать "живую" картину изофот для оперативного исследования системы и выполнения технологических операций под непрерывным контролем до достижения оптимального качества изображения. Изофотометр ФРТ дает возможность визуально обнаруживать отличие качества изображения от эталонного, соответствующее деформации волнового фронта порядка ЯУ50.

Созданные на основе разработанной системы инвариантных характеристик преобразования изофотометры для измерения ФРЛ нашли применение при исследованиях и контроле микрообъективов, спектральных и кино-телевизионных оптических систем. Изофотометр ФРЛ позволяет в аналоговом режиме и реальном времени получить график ФРЛ на экране телевизионного монитора, при этом значения ФРЛ отображаются в диапазоне 104 в логарифмическом масштабе, что позволяет анализировать малые отклонения качества изображения прецизионных оптических систем на уровне сотых долей длины волны, надежно определять функцию передачи модуляции, выполнять под непрерывным контролем технологические операции (юстировку, центрировку, фокусировку и т.д.) до достижения оптимального качества изображения.

Ввод изофотограмм в компьютер, при необходимости, позволяет выполнять их более широкий и обстоятельный анализ, например, надежное определение ЧКХ для объективов микроскопов.

Разработана методика синтеза модульного комплекса приборов оптического контроля и исследований на базе аппарата функций преобразования и предложенной идеологии модульного анализа и синтеза схем и устройств. Существенное достоинство развитого подхода состоит в возможности оперативного создания и внедрения в практику объектно-ориентированных методов и приборов с заданными характеристиками путем синтеза необходимого метода оптического контроля и исследований на основе выбранной ФП и синтеза необходимого устройства путем создания или подбора соответствующего модуля-анализатора, реализующего

необходимую характеристику преобразования, и включения его в унифицированный комплекс, специализированный по своей конфигурации к исследованию и контролю оптических элементов данного типа и класса.

На базе проведенных исследований создан унифицированный функционалыю-модупьнмй комплекс, позволяющий заменой центрального модуля-анализатора получать 4 разновидности приборов оптического контроля и исследований: - лазерный интерферометр с дифрагированной эталонной волной; - безаберрационный теневой прибор с минимизированным светорассеянием; - изофотометр ФРТ; - вибронечувствительный дифракционный интерферометр.

Разработаны алгоритм и программа компьютерного модульного синтеза схем аппаратуры оптического контроля и исследований исходя из теории ФП и пополняемой библиотеки модулей.

Глава 7 посвящена исследованию возможностей методов и приборов, разработанных и реализованных в ходе данного исследования. Приведены технические характеристики и возможности установок, методики работы, испытаний и аттестации, результаты оценки погрешностей и чувствительности. На основе принципов, сформулированных в предыдущих главах, созданы методы и средства повышения точности, чувствительности и надежности контроля.

Все установки и приборы реализованы, успешно испытаны и нашли применение в практике действующего производства(ЛОМО, ЛЗОС, ГОИ, ЛИТМО) и научных исследованиях, а также в учебном процессе по подготовке и переподготовке специалистов в ЛИТМО. Разработана методика аттестации изофотометра по дифракционному эталону в диапазоне перепада освещенностей 104 с погрешностью не более 10% во всем диапазоне измеряемых освещенностей. Метод и аппаратура изофотометрии были также независимо аттестованы и одобрены ГОИ им. С.И.Вавилова и получили положительные рекомендации Академии Наук. Имеется

резерв дальнейшего повышения точности за счет совершенствования элементной среды при создании аппаратуры, т.к. принцип изофотометрии характеризуется постоянством отношения сигнала к шуму во всем широком диапазоне регистрации при переходе от максимальных интенсивности к минимальным.

В Заключении сформулированы общие результаты работы в целом, указаны сферы их приложения, направления дальнейшею развития методов и приборов оптического контроля и исследований, место предложенных принципов в системе научного познания, связь с другими научными дисциплинами и требованиями практики.

Основные результаты работы:

1. Разработаны теоретические положения и принципы синтеза методов и приборов оптических исследований и контроля. Создан и реализован в действующем призводстве, научных исследованиях и учебном процессе комплекс эффективных методов с повышенной чувствительностью, производительностью и надежностью, а также унифицированный комплекс автоматизированной и гибкопереналаживаемой аппаратуры оптического контроля, построенный по функционально-модульному принципу, конструктивно простой и технологичный в производстве.

2. Разработан изофотометрический метод измерения ФРТ оптической системы и комплекс автоматизированной аппаратуры фотографической и фототелевизионной изофотометрии; метод и аппаратура эффективно использованы при исследовании, а также при технологическом и аттестационном контроле крупнейшего в мире шестиметрового астрономического зеркала телескопа БТА, что дало возможность впервые экспериментально определить функцию рассеяния методом ее прямого измерения в диапазоне до 5 порядков перепада освещенности; эти работы внесли существенный вклад в завершение программы создания крупнейшего телескопа.

3. Разработаны метод и аппаратура телевизионной изофотометрии ФРТ для обеспечения исследований, кошроля и аттестации второго Главного зеркала шестиметрового телескопа БТА, зеркал телескопов ЗТА и ЗТШ диаметром 2,6 м, оптических систем телескопов АЗТ-24 и АЗТ-11. Метод и аппаратура внедрены в производстве ЛОМО, ЛЗОС, использованы в CAO (Зеленчук) и Бюраканской обсерватории.

4. Для обеспечения выпуска на ЛОМО большого планетного спектрографа СП-124 для крупнейшего шестиметрового телескола БТА разработаны и реализованы метод и телевизионно-оптаческая установка исследования, контроля и выполнения операций

юстировки кассеты спектрографа в фокальной плоскости по форме аппаратной функции в реальном времени.

5. Разработан и испытан в условиях производства унифицированный ряд приборов для оптических исследований и контроля крупногабаритных оптических деталей и систем (в том числе и с дифракционно обусловленным качеством изображения); в числе этих приборов; новый интерферометр с дифрагированной эталонной волной; теневой прибор нового типа, без поперечного разноса пучков и без полупрозрачного светоделителя; интерферометр сдвига с дифракционной решеткой для исследования хроматизма; изофотометры ФРТ и ФРЛ для исследования характеристик качества изображения прецизионных оптических систем в непревзойденно широком динамическом диапазоне и в реальном времени.

6. Для решения задач создания и производства микрооптики на ЛОМО разработан и реализован комплекс методов и приборов контроля современной оптики микроскопов с форсированшлми оптическими характеристиками, в том числе: специальный интерферометр с дифрагированным эталонным волновым фронтом; всеволновый виброустойчивый интерферометр сдвига с дифракционной решеткой для контроля хроматизма и полевых аберраций микрообъективов; изофотометрическая оптико-телевизионная аппаратура и метод для исследования и контроля ФРГ, ФРЛ и определения функции передачи модуляции (ЧКХ) микрооптики; автоматизированный интерферометр для центрирования склеенных компонентов микрооптики.

7. Для обеспечения крупносерийного производства панкратическнх объективов на ЛОМО разработаны и реализованы метод и телевизионно-оптическая аппаратура контроля по ФРЛ качества изображения выпускаемых объективов, интерферометр для контроля хроматических аберраций и изофотометр для исследования неравномерности освещенности поля изображения объектива.

8. Для применения в лазерных технологиях разработана и испытана методика широкодиапазонного изофотометрическою исследования структуры лазерных пучков.

9. Разработаны методы и аппаратура изофотометрической трансформации структуры оптико-измерительных интерференционных, гартмановских и теневых изображений, что позволило повысить более чем на порядок точность расшифровки данных оптического контроля и соответственно повысить чувствительность операций контроля в части обнаружения ошибок и аберраций волновых фронтов; метод и аппаратура дополнены созданными средствами умножения полос, обеспечивающими

повышение точности и чувствительности контроля еще на порядок; методы и аппаратура использованы для повышения эффективности исследований и контроля крупногабаритных телескопов БТА, ЭТА, ЗТШ, АЗТ-24 и АЗТ-11, новых объективов для микроскопов и объектива "Минитар" для фотокамеры "JIOMO-Компакт

10. Разработана схема нерасстраиваемого интерферометра с дифрагированным эталонным волновым фронтом на основе монолитной полусферы.

11. Найденные принципы и разработанные методы и установки внедрены в учебный процесс в ГИТМО(ТУ) как в системе подготовки специалистов, так и в подразделениях повышения квалификации кадров; в течение ряда лет эти материалы докладывались и обсуждались на учебных занятиях групп слушателей - специалистов и руководителей оптического производства.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Зверев В. А.,Кирилловский В.К., Сокольский М.Н. Погрешность расшифровки шггерферограмм и метод ее снижения. Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы",ч.Н, ЛИТМО.Л. 1975

2. Зверев В.А.,Кирилловский В.К.,Сокольский М.Н. К методике расшифровки результатов изофотомеггрической съемки изображений точечных объектов. Материалы Всесоюзной научно-техн-конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы",ч.И, ЛИТМО.Л. 1975

3. Кирилловский В.К. К вводу в АСУ ТП измерительных данных при производстве крупногабаритных астрономичесикх зеркал. Материалы к семинару "Опыт создание АСУ технологическими процессами на предприятиях Ленинграда и области", ЛДНТП, Л, 1976.

4. Звере» В.А.,Кирилловский В.К..Сокольский М.Н. Исследование качества изображения оптических систем методом иэофотометрической фоторегист-радаи.ОМП,Ы8,1976

5. Зверев В.А.,Кирилловский В.К.,Сокольский М.Н. Применение метода изофо-тометрнческой фоторегистрации при исследованиях и аттестации главного зеркала БТА. ОМП N12,1976.

6. Кирилловский В.К..Фоторегистрация при контроле и аттестации астрономических зеркал.ЩШИинформации М. 1976 (обзор N1335).

7. Зверев В.А.,Кирилловский В.К..Сокольский М.Н.,Орлов П.В., Родионов С.А. Топографический шггерферометр для контроля формы поверхностей. Материалы семинара "Опыт внедрения прогрессивных методов и средств размерного контроля", ЛДНТП,Л,1977.

8. Кашсрининов P.M. Зверев В.А.,Кирилловский В.К.,Сокольский М.Н. Способ контроля оптических систем. Авторское свидетельство на изобретение N574656,1977 г.

9. Зверев В.А., Орлов П.В., Родионов С.А., Сокольский М.Н., Кирилловский В.К., "Интерферометр для контроля погрешностей формы вогнутых сферических поверхностей. Авт.свидлш изобретение, N564520,1977

10. Кирилловский В.К.. Количественные теневые методы при кот-роле оптических систем. Аналитический обзор N 1872. ЦНИИинформации, М. 1978.

11. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Контроль качества микрокрооптнки, ОМП,N3,1978

12. Кирилловский В.К. Oii.it повышения качества контроля оптических систем..ЛДНТП,Л, 1978.

13. Кирилловский В.К., Болдырев Н.И., Крынин Л.И., Сокольский М.Н. '"Устройство для контроля качества изображения оптической системы" Авт.свидна изобретете, N 673881,1979

14. Зверев В.А.,Кирилловский В.К., Сокольский М.Н, Болдырев Н.И.,Маларев В. А. "Устройство для контроля качества изображения оптической системы",N637758,1978 г.

15. Кирилловский В.К. Применение телевидения в оптических измерениях (аналитический обзор N 2139). ЦНИИ1даформацш1,М.1979.

16. Кирилловский В.К. Метод Гартмана при контроле крупногабаритной оптики (аналитический обзор N 2138). ЦНИИинформации,М.1979.

17.Кирилловскнн В.К. Анализ структуры оптического изображения в широком диапазоне освещешюегей. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Формирование оптического изображения и методы его коррекции", АНБССР, Институт физики. Могилев. 1979.

18. Зверев В.А.,Кирилловский В.К., Сокольский М.Н. Пофепшость расшифровки гартманограмм и метод ее снижения. Сб."Новая техника п астрономии" вып.6,Наука JI. 1979.

19. Родионов С.А., Резник В.Г.,Кирилловский В.К., Вироховский A.B. Применение средств вычислительной техники при обработке данных изофотометрической фоторегистрации в оптических измерениях. Сб."Новая техника в астрономии" вып.6,Наука Л. 1979.

20. Кирилловский В.К., Сокольский М.Н.,Орлов П.В. Способ интерференционных исследований оптических систем с применением средств телевизионной техники. Сб."Новяя техника в астрономии" яып.6,Наука Л. 1979.

21. Кирилловский В.К., Болдырев Н.И. Способ гоофотометрических исследований оптических систем с применением средств телевизионной тматки. Сб."Новая техника в астрономии" вьт.б,Наука Л.3979.

22. Зверев В.А.,Кирилловский В.К., Сокольский М.Н..Болдырев Н.Н.Маларев В.А. Автоское свидетельство на изобретение. "Устройство для контроля качества изображения оптической системы". 1980 г.

23.Кирилловский В,К. Методы контроля оптики микроскопов. ЦНИИинформации (аналитический обзор N 2450). M.I980.

24.Кнрилловский В.К. Приборы и методы контроля качества фотографических объективов (аналитический обзор N 2451), ЦНИИинформации М.1980.

25.Кирилловский В.К. Применение лазеров при контроле оптики в условиях производства. Материалы Научно-технической конференции 26-28.11.80 "Использование лазеров в современной науке и технике", ЛДНТП.Л. 1980.

26.Киршотовский В.К., Крьшип Л. И. Оценка качества изображения по функции рассеяния лшнш. OMII,N6,1980.

27. Кирилловский В.К. Методы контроля качества изображения оптических систем. ЛИТМО Л, 1980 Учебное пособие

28. Иванова Т. А..Кирилловский В.К.Проектирование и контроль оптики микроскопов. (Монография). Машиностроение.Л.1984.

29. Кирилловский В.К. Методы исследования пятна рассеяния оптической системы. ОМП, N5,1982,

30. Кирилловский В.К. Характеристики чувствительности структуройетрн-ческих систем. Материалы 4 Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечите" ,ВНИИОФИ, АН СССР. 1982.

31. Иванова Т.А., Кирилловский В.К., Малирев В.А. Интерферометр дая измеряю» децентрировки оптических систем. Авторское свидетельство на изобретение N1062513, 1983 г.

32. Головко П.В., Иванова Т.А.,Кирилловский В.К., Демченко Н.П. Устройство дая контроля центрировки и качества склеенных компонентов. Авторское свидетельств на изобретение N1015273, 1983 г.

33. Кирилловский В.К., Болдырев Н.И., Крестовский Ю.Н., Орлов П.В., Сазонов О.М Устройство для контроля качества оптической системы. Авторское свидетельство на изобретите N1087800, 1980 г.

34. Кирилловский В.К.,Применение телевидения при контроле и аттестации оптических систем. Учебное пособие.JI. ЛИТМО, 1983 г.

35. Иванова Т.А. Кирилловский В.К.Исследование и контроль объективов микроскопов. Учебное пособие. Л.ЛИТМО. 1983 г.

36. Кирилловский В.К. Контроль качества объективов. Учебное пособие. J1.ЛИТМО. 1984 г.

37. Кирилловский В.К., Петрученко И.Р. Контроль и аттестация оптических систем с применением источников когерентного излучения. (Аналитический обзор N 3585). ЦНИИ информации. М. 1985 г.

3S. Кирилловский В.К., Петрученко И.Р. Луги автоматизации контроля оптики микроскопов. (Аналитический обзор).ЦНИИ информации. М.1985.

39. Кирилловский В.К. Унифицированный гибкопереналаживаемый комплекс автоматизированных приборов оптического контроля. Доклад на 3 научно-техническом семинаре" "Автоматизация контроля в гибком производстве", г.Севастополь, сентябрь, 1986.

40.Киршшовский В.К. Петрученко И.Р. Контроль оптических систем с применением лазеров. Учебное пособие .Л.ЛИТМО.1987 г.

41. Кирилловский В.К. Пути создания унифицированного комплекса автоматизироваша« приборов оптического контроля. Институт по оптика, в "Доклада от 'Грета националам конференция с международно участие "Оптика и лазериа техника, ОПТИКА 87, 18-20 мая 1987 Варна,т.1.

42. Кирилловский В.К., Василев C.B. Пути автоматизации контроля зрительных труб. Дружество на физиците в HP България, Институт ио оптюса. В "Доклад» от Трега пационшша конференция с международно участие, ОПТИКА'87", 18-20 мая 1987 Вариа,т.1.

43. Кирилловский В.К., Артамонов Д.Д. Приборы и оборудование для контроля изделий оптического производства. Оптические приборы и товары народного потребления. Приложение к журналу ОМП. N3, 1990

44. Кирилловский В.К., Аяитропова И.Л., Зеленила О.В. Применение ЭВМ в оптическом ириборостроении. Учебное пособие. ЛИТМО. Л. 1988 .

45. Кирилловский В.К., Ашггропова И.Л., Иванова Т.А. Стггез комплекса методов и унифицированных приборов оптического контроля .Учебное пособие.Л. ЛИТМО 1988.

46.Кирилловский В.К.Применение лазеров при контроле оптики в условиях производства. Лазеры при исследовании качества оптических систем.

В сб.иВсесоюзная научно-техническая конферищия - Применение лазеров в науке и технике", 22-24 дав. 1981 года. ЛДНТП. Научый совет АН СССР по проблеме "Голография"

47. Кирилловский B.iC., Гвоздев С.С. Доройш В.К. Optical components glueing with the automatic centring. В "Abstracts of the Fourth National Confcrence"Optics'89", May 18-20,1989, Varna.

48. Югрилловосий B.K., Крынин Л И., Вейко В.П. Isophotometrical control of the laser beams structure. В "Abstracts of the Fourth National Conferencc"Optics'89", May 18-20,1989, Varna.

49. Кирилловский B.K. .Гвоздей С.С. Доромш B.K. Гольдберг Г.Р. Метод и аппаратура для автоматизированного контроля центрировки. В "34 Internationales Wissnsehaftliches Kolloquium. Helt 3,Technische Hohschule.Ilmenau, DDR. 1989.

50. Кирилловский B.K.. "Количественные теневые методы при контроле оптических систем. Учебное пособие.ИТМО 83с. 1990 .

51. Кирилловский В.К., Крынин Л.И., Аннтронова И.Л., Петрученко И.Р.Ностроение оптических схем приборов контроля качества изображения, учебное пособие. Л.ЛИТМО. 1990. 52с.

52. Кирилловский В.К., Гвоздев С.С., Дорохин В.К., Гольдберг Г.Р., Ершов А.Н.. "Устройство для центрирования оптических линзовых компонентов" Авторское свидетельство на изобретение N1673904, 1991.

53. Кирилловский В.К., Г'олглбгрг Г.Р. Гвоздев С.С. Дорохин В.К., Торбин И.Д. Ершов А.Н. "Устройство для склеивания оптических деталей". Авторское свидетельство на изобретение N1680655, 1992.

54. Кирилловский В.К., Петрученко И.Р. "Дифракционные интерферометры". Учебное пособие.Л. ЛИТМО. 1990. 50с.

55. КиришховскиЙ В.К.,Гвоздев С.С., ГольдбергГ.Р., Дорохин В.К., Торбин И.Д. "Устройство для центрирования оптических линзовых компонентов". Авторское свидетельство на изобретение N 1673904, 1991.

56. Кирилловский В.К. Гвоздев С.С., ГольдбергГ.Р., Дорохин В.К., Торбин И.Д. Устройство для склеивания оптических деталей. Авторское свидетельство на изобретение N1680655, 1992.

57. Кирилловский В.К. Diffraction Reference VVavefront Laser Interferometer. SPIE-The International Society for Optical Engmeering.Proceed. "Miniature and MicrooptiesiFabricalion and System Applications 11.20 Jul, 1992,SanDiego, Calif,Volume 1751, p.p.197-200.

58.Кирнллояский B.K., New Approach of the Image Structure Analyzing and the Evaluations of Optical System Quality SPIE.Proceed. "Miniature and Microoptics and Mieromechanics" 15Jul.l993,SanDiego, California,volume

1992,p.p.293-298.

59.Кирилловский B.K.,Гвоздев C.C., Петрученко И.Р., Прохоренко Т.Л. Итерфероиетр для контроля качества оптических поверхностей и систем. Авторское свидетельство на изобретение N1765803,1992 .

60. Кнрилловсгаш В.К., Исследование реального распределения освещенности на поверхности объекта в целях совфшенствования программ моделирования виртуальной реальности. Третья международная конференция по компьютерной графике и визуализации, СПб, 1993.

61. Кирилловский В.К., Гвоздев С.С., Маларев В.А. Изофотомеприя неравномерности освещенности поля изображения оптических систем. 28-я научно-техническая конференция И'ГМО 31.01.2.02.1995.

?

Государственный институт Точной механики и оптики (Технический университет), Санкт-Петербург

Кирилловский Владимир Константинович

Анализ и синтез методов и средств контроля оптических систем с дифракционно ограниченным качеством изображения

Специальность 05.11.07 -Оптические приборы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

УДК 681.7.0.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая работа начата в 1974 году при создании 6-метрового зеркала для крупнейшего телескопа БТА, который и по сей день в мире непревзойден. Однако с точки зрения научной преемственности данное исследование является, в определенной мере, продолжением работ автора, изложенных в кандидатской диссертации [1] , в которой задачи оптических исследований и измерений также решались в тесной связи с применением для регистрации и интерпретации оптико-измерительных изображений современных приемников и эффективных методов обработки изображений. Данная работа основана на разработках, выполненных при решении ряда крупных научных и хозяйственных проблем, связанных с созданием и освоением в производстве прецизионных оптических приборов, в числе уникальные первое и второе 6-

метровые зеркала телескопа BTAJ телескопы ЭТА, ЗТШ с зеркалами 2,6 м; телескопы АЗТ-24, АЗТ-11 с зеркалами диаметром более метра', современная высокоточная оптика для микроскопов с форсированными характеристиками, предназначенная для крупносерийного производства и широкого применения в здравоохранении, биологии, агропромышленном комплексе, науке и технике; современные кино-,фото- и телевизионные объективы с форсированными характеристиками, включая панкратические, выпускавшиеся в крупносерийном и массовом производстве; исследование и контроль структуры лазерных пучков, а также ряд других работ. Часть содержания работы получена автором вместе с соавторами и сотрудниками, имена которых он считает приятным долгом назвать по ходу изложения и в библиографии; в их числе должны быть с признательностью названы В.А.Зверев, С.А.Родионов, Т.А.Иванова, В.А.Маларев, Л.И.Крынин,

И.Р.Петрученко.

Автор выражает признательность руководителям работ, в ходе которых стало возможым выполнить рассматриваемые исследования. Большую поддержку оказали A.M. Прохоров, Р.М.Кашерининов, В.А.Зверев, С.А.Родионов, Б.К.Иоаннисиани, Г.И.Амур,

П.В.Головко, М.Н.Сокольский, Л.А.Спиридонова, Н.И.Валов. Большую пользу работе принесли доброжелательным вниманием и конструктивными дискуссиями: И.И.Духопел, Н.Н.Михельсон, Д.Т.Пуряев, М.А.Уханов, А.П.Грамматин, Э.А.Витриченко, А.Ф.Фоменко, М.Ф.Шабанов, Т.С.Коломийцева, В.П.Петров. Автор выражает глубокую признательность своему учителю, профессору М.М.Русинову за неизменное внимание и большую моральную поддержку.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современное оптическое приборостроение характеризуется увеличением объемов выпуска оптической продукции, совершенствованием ее технических характеристик,

необходимостью создания и производства новых классов приборов и систем.

К оптике нового класса могут быть отнесены, например, оптические системы космических телескопов, высококачественные объективы исследовательских микроскопов, объективы оптических приборов для технологий микроэлектроники, оптические системы лазерных устройств записи и воспроизведения информации. Эти группы оптических систем могут соответствовать своему назначению прежде всего при условии достижения предельно высоких оптических характеристик качества изображения, когда волновой фронт, сформированный оптической системой, не имеет отклонений свыше нескольких сотых долей длины световой волны от формы, соответствующей идеальному качеству изображения. При этом по концентрации энергии изображение, построенное реальной оптической системой, должно лишь на несколько процентов отличаться от идеального, то есть предсказанного теорией дифракции.

Выполнение этих задач невозможно без совершенствования и развития методов и средств контроля и аттестации оптической продукции; возможностями этих средств сейчас во многом определяется успешное развитие оптической промышленности и аппаратуры. В то же время применяемые в производстве средства оптического контроля и исследования нередко по своим возможностям и характеристикам не отвечают современным требованиям. Редко применяется их унификация, не налажены разработка и изготовление в нужных объемах. В целом производство испытывает нехватку современных приборов оптического контроля. Преобладают субъективные визуальные оценки. Слабо решаются задачи комплексного оснащения рабочих мест в условиях крупномасштабного производства, торговли, эксплуатации и ремонта.

Основным препятствием в решении указанных задач до недавнего времени являлся недостаток методов и аппаратуры для исследования и контроля форсированных параметров оптических систем с необходимой чувствительностью и точностью. Дефицит этих средств можно во многом объяснить неразработанностью общей теории методов и аппаратуры оптических исследований, которая позволяла бы как систематизировать существующие методы и средства с необходимой четкостью, так и прогнозировать создание новых методов и аппаратуры согласно возникающим задачам.

Диссертация посвящена разрешению этих проблем.

Диктуемые практикой задачи требуют сегодня и разработки автоматизированных систем оптического контроля. Попытки такой автоматизации путем прямого технического моделирования операций визуального контроля не всегда дают эффективные

результаты. Таким образом, актуальность темы настоящей работы, которая является результатом более чем двадцатилетней деятельности автора в области оптических средств исследования и контроля, определяется острой потребностью современного оптического приборостроения в оснащении современными приборами оптического контроля, существенной зависимостью прогресса оптического приборостроения от развития методов и средств оптического контроля.

Цели работы.

Анализ существующих и разработка новых методов и средств оптических исследований и контроля с расширенными возможностями и улучшенными метрологическими

характеристиками. Создание основ теории и методики анализа и синтеза методов и средств для оптических исследований и контроля; на основе этой теории - разработка системы и принципов проектирования унифицированных, автоматизи-

рованных, гибкопереналаживаемых приборов. Разработка и реализация методов, схем и средств исследования и контроля, обеспечивающих предельно высокое качество изображения выпускаемых оптических систем, ограниченное, в основном, лишь дифракцией.

Задачи исследования.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обобщенный анализ, развитие и автоматизация методов экспериментального исследования и контроля характеристик качества оптического изображения в динамическом диапазоне перепада освещенности в изображении свыше" пяти порядков при отклонениях от идеального качества изображения, соответствующих ошибкам 0,02 длины световой волны и менее.

2. Обобщенный анализ, развитие и автоматизация методов исследования и контроля деформаций волнового фронта, вызванных несовершенством оптических систем, поверхностей и сред, с чувствительностью и точностью на уровне 0,01А.

3. Создание теории (как системы научных принципов, идей и положений), позволяющей:

обобщить практический опыт в области оптических исследований и контроля;

найти действующие в этой области закономерности;

- наиболее эффективно применять существующие методы и средства оптического контроля и исследования;

- предсказывать, находить и разрабатывать новые методы и средства оптического контроля и исследования согласно возникающим задачам.

4. Хозяйственное и научное применение результатов исследований и разработок.

Научная новизна работы.

Основные новые научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.

1. Впервые создана обобщающая теория методов и средств оптического исследования и контроля как инструмент глубокого изучения их свойств и возможностей- Построена периодическая развитая система их одномерных и двумерных функции преобразования (ФП); предложен ряд инвариантных уравнений для их аппроксимации.

2. На основе разработанной теории развиты принципы анализа существующих методов оптического исследования и контроля и синтеза принципиально новых методов, обладающих заданными возможностями в соответствии с требованиями науки и практики.

3. На основе предложенной теории развиты принципы анализа и синтеза устройств для оптических исследований и контроля, как средства создания схемных решений приборов, формирующие базу для функционально-модульного проектирования унифицированных, гибкопереналаживаемых комплексов специализированных и универсальных автоматизированных приборов для широкого оснащения цеховых рабочих мест в оптическом производстве, а также для обеспечения углубленных лабораторных исследований, в том числе уникальных и особосложных оптических систем и приборов.

4. На основе разработанной теории и развитых принципов исследованы свойства средств интерферометрического контроля, что дало возможность разработать, усовершенствовать и автоматизировать лазерные интерферометры с дифрагированным эталонным волновым фронтом, не содержащие образцовых оптических деталей. Образцовый волновой фронт в интерферометрах созданного типа формируется благодаря использованию физического феномена, что позволяет применять эти интерферометры как нуль-приборы для аттестации эталонов и пробных стекол и контроля оптических систем наивысшей точности.

5. На основе разработанной теории предложен, разработан и реализован в комплексе приборов и методик универсальный изофотометрический метод, впервые позволяющий выполнять при оптических исследованиях и контроле прямое экспериментальное исследование в реальном времени функций рассеяния точки (ФРТ) и линии (ФРЛ) в необходимом для практики широком диапазоне перепада интенсивностей, превышающем пять порядков, и эффективно решать ряд других задач по исследованию и обработке оптического изображения и контролю параметров оптических систем.

6. Введено обобщающее понятие универсального изометрического метода исследований и контроля. На основе разработанного аппарата инвариантных функций преобразования проведены глубокие аналогии между изофотометрическими и интерферометрическими методами в части механизма обработки информации. Этот анализ позволяет рассматривать интерферометрию как частный случай обобщенного метода изометрии.

7. На основе найденных принципов синтеза разработана система модификаций изофотометрического метода, расширяющих его возможности, в том числе способы изофотометрии:

- с переменным накоплением энергии; - с изменяющимся световым потоком;- с тест-объектом пространственно-переменной яркости; - с многоканальным регулированием чувствительности приемника изображения, и другие.

8. Разработан ряд методик интерпретации результатов изофотометрического анализа функции рассеяния.

9. Выполнены исследования особенностей и метрологических возможностей системы методов изофотометрии, дана классификация предлагаемых их разновидностей.

10. Разработаны методики и алгоритмы определения функции концентрации энергии (ФКЭ) и фотографической разрешающей способности по данным изофотометрии ФРТ и ФРЛ.

11.Предложены и реализованы методики изофотометрического исследования ФРТ телескопа в процессе наблюдения звезд и звездных скоплений.

12.Предложена методика обнаружения и исследования тесных разноярких двойных звезд и звездных скоплений средствами изофотометрии.

13.Исследованы возможности и погрешности методов изофотометрии. Предложена и реализована методика калибровки фотоматериала (с учетом эффекта Шварцшильда) путем изофотометрии картины дифракции лазерного пучка на точечной диафрагме.

14. На основе аппарата ФП синтезирован метод изофотометрии прямых полос, на основе которого разработаны методики высокоточной изофотометрии неравномерности распределения освещенности по полю оптического изображения фотографических и телевизионных объективов, позволяющие исследовать малые колебания интенсивности равномерно освещенного поля с погрешностью, не превышающей 3% от уровня вариаций интенсивности, что связано с уникальным свойством изофотометрических систем поддерживать постоянное отношение сигнала к шуму на всем диапазоне регистрируемого перепада интенсивностей.

15. Найдена изофотометрическая методика исследования структуры лазерного пучка в широком динамическом диапазоне

(5 порядков и более).

16. Предложены и реализованы методики автоматизированной обработки в реальном времени изображений, сформированных средствами оптических исследований и контроля, и функциональные решения электронной аппаратуры для реализации этих методик, в их числе:

метод изофотометрического анализа структуры изображения; метод умножения частоты, формирования контуров и линий центров интерференционных полос, что позволяет повысить точность интерферометрии в 20 и более раз;

метод устранения влияния вибраций на точность оптических исследований, что способствует существенному повышению точности и достоверности интерферометрии и изофотометрии при наличии вибраций, а подчас создает возможности измерения и контроля в условиях, когда их проведение было бы невозможно.

17. На базе предложенного аппарата ФП разработана методика повышения точности расшифровки гартманограмм более чем на порядок при одновременном повышении надежности и достоверности контроля, снижении влияния вибраций и атмосферных флюктуаций на погрешности измерений.

18. Разработаны и реализованы в серийном приборе принципы построения, методические и схемные решения автоматизированного универсального телевизионного комплекса анализа интерферограмм (ТАИ-1), позволяющего в сочетании с прецизионными интерферометрами контролировать и исследовать в реальном времени аберрации оптических систем и ошибки поверхностей с повышением точности расшифровки до уровня

0.01.длины световой волны и точнее.

19. Выполнен анализ возможностей интерферометра сдвига с дифракционной решеткой; обоснована и реализована в виде приборов возможность создания на его основе средств автоматизированного контроля центрировки оптических элементов одновременно с контролем их качества, полевых аберраций и хроматизма, а также контроля полимерных оптических деталей, в частности - линз Френеля.

20.Получены экспериментальные и промышленные подтверждения высокой эффективности разработанных методов и приборов оптических исследований и контроля в практике оптического производства.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Разработанные теоретические положения и принципы синтеза методов и приборов оптических исследований и контроля, развитые в настоящем исследовании, открыли путь к решению проблемы создания и промышленного освоения комплекса эффективных методов с повышенной чувствительностью, производительностью и надежностью, а также унифицированного комплекса автоматизированной и гибкопереналаживаемой аппаратуры оптического контроля, построенного по функционально-модульному принципу, конструктивно простой и технологичной при ее серийном производстве.

2. Разработан изофотометрический метод измерения ФРТ оптической системы и комплекс автоматизированной аппаратуры фотографической и фототелевизионной изофотометрии; метод и аппаратура позволяют эффективно исследовать, а также выполнять технологический и аттестационный контроль крупногабаритных астрономических зеркал (в том числе и диаметром б м для крупнейшего телескопа БТА), что дало возможность впервые экспериментально определить функцию рассеяния методом ее прямого измерения в диапазоне свыше 4 порядков перепада освещенности.

3. Разработанный метод и аппаратура телевизионной изофотометрии ФРТ крупногабаритных зеркал позволяют обеспечивать исследования, контроль и аттестацию крупногабаритных астрономических зеркал диаметром б м,2.6 м,1.2 м путем экспериментального определения функции рассеяния методом ее прямого измерения в широком диапазоне 4-5 порядков перепада освещенности.

4. Разработанные и реализованные метод и телевизионно-оптическая установка контроля спектральной аппаратуры позволяют проводить исследования, контроля и выполнения операций юстировки кассеты спектрографа в фокальной плоскости по форме аппаратной функции в реальном времени.

5. Разработанный и испытанный в условиях производства унифицированн�