Теневой прибор — SU 1027669 (original) (raw)
(71) Институтний АН СССР исерватория Харного университБюл. У 25 енко, Э.А. В,С. Цветк космических Астрономиче ьковского го ета88.8) итриченко,ваисследовакая обсударствен" 2. Авторско9 501340, кл.(прототип). СССР .10.7 видетельств1 Н 21/45,СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧЯРЫТИЙ(54)(57) ТЕНЕВОЙ ПРИБОР, содержащий точечный источник белого света, кол лиматор, исследуемый объект, Фурье- преобразующую линзу, полуволновую фазовую пластину, установленную в задней фокальной плоскости линзы с 801027669 А ож перемещения в направ-,и, ндикулярном фаэосдвигас пластины, элемент обого фурье-преобразования и рерирующее устройство, оптическияженное с исследуемым объектом,л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью увеличения пространственногоразрешения при повышении фаэовойчувствительности и ахроматизации вширокой области длин волн, на полуволновую Фаэовую пластину нанесенопоглощающее металлическое покрытиес градиентом плотности, перпендикулярным Фазосдвигающей ступени пластины, имеющее нулевое пропусканиена линии Фазового скачка, причемпластина выполнена иэ двух различных сортов оптического стекла, укоторых для средней волны рабочегоспектрального интервала производныепо длине волны отношений показателя преломления к длине волны равнымежду собой,Изобретение относйтся к прикладной оптике и может быть использовано для исследования оптическихнеоднородностейИзвестен теневой прибор, в котором для визуализации оптических не 5однородностей используется Фазовыйнож 11.Недостатком данного прибора является его низкое пространственноеразрешение.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсятеневой прибор, содержащий точечный источник белого света, коллиматор, исследуемый объект, Фурье. - 15преобразующую линзу, полуволновуюФазовую пластину, установленную взадней фокальной плоскости линзы свозможностью перемещения в направлении, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, элемент обратного Фурье-преобразования и регистрирующее устройство, оптически сопряженное с исследуемым объектом.В этом приборе элемент обратного 25Фурье-преобразования выполнен в виде,сферического зеркала работающегосовместно с поляризационным светоделительным кубиком 2).Недостатками известного устройства являются низкое пространственноеразрешение по исследуемому объекту,ограничение фаэоконтрастной чувствительности, большие светопотери, атакже сложность определения полной 35двумерной картины оптических неод,нородностей.Указанные недостатки обусловленыследующими причинами.Известно, что фазовые искажения 40непосредственно зарегистрировать невозможно. Для этой цели применяютвизуализирующие элементы, действиекоторых в составе теневых приборовсходно с операцией дифференцирования исследуемого поля. Описание полячерез его производную не вносит никаких затруднений, так как постоянная интегрирования равна начальнойфазе поля и значение ее несущественно. В реальных приборах осуществитьидеальное дифференцирование нельзя,но можно приблизиться к нему скольугодно близко. Из теории Фурье-преобразований известно что производная Функции Ф(х) равна обратномуФурье-преобразованию от проиэведенич), где Г - Фурье-преоб 1.аэование от ф(х),для точного дифференцирования необходим транспарант, имеющий амплитудный коэффициент пропусканияТ)=(, где- задано в интервалеж, со. Такой Фильтр в оптике изготОвить невозможно, так как всегдат 1. В теневом приборе-прототипе транспарант - полуволновая Фазовая пластина - реализует фазовый скачок на 180 , который является весьма грубыь приближением к требуемой линейнойзависимости. Фурье-образ фазового скачка совпадает с ядром ) Гильбертпреобразования, которое выполняетоперацию дифференцирования и сглаживания с медленно убывающими крыльями и имеет малый динамический диапазон фазово-контрастной характеристики. Приближенный характер дифференцирования Гильберт-преобразования не принимается во внимание и результаты измерений теневого прибора трактуются как производная исследуемого поля. При таком подходе невозможны ни измерения больших фазовых искажений, ни измерения в зоне поля, расположенной рядом с сильными неоднородностями, так как и без того короткая характеристика оказывается перегруженной информацией изсоседних зон. В частности не могутбыть исследованы искажения, лежащиевблизи края апертуры, т.е. сильнойнеоднородности, а эта зона составляет обычно 20 исследуемого поля.Цель изобретения - увеличение пространственного разрешения при повышении чувствительности и ахроматизации в широкой области длин волн,.Поставленная цель достигается тем,что в теневом приборе, содержащем точечный источник белого цвета, коллиматор, исследуемый объект, Фурье-преобразующую, полуволновую фазовуюпластину, установленную в задней фокальной плоскости линзы с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, элемент обратного Фурьепреобразования и регистрирующее устройство, оптически сопряженное с исследуемым объектом, на полуволновуюФаэовую пластину нанесено поглощающее металлическое покрытие с градиентом плотности, перпендикулярнымфаэосдвигающей ступени пластины,имеющее нулевое пропускание на линии фазового скачка, причем пластина выполнена из двух различных сортов оптического стекла, у которыхдля средней длины волны рабочегоспектрального интервала производныепо длине волны отношений показателяпреломления к длине. волны равны между собой.На фиг, 1 показана оптическая схема теневого прибора; на фиг. 2устройство волуволновой амплитудноФазовой пластины и вид зависимостиее амплитудного пропускания от координаты вдоль оси, перпендикулярнойфазосдвигающей ступени пластины; нафиг. 3 - вид зависимостей фазового40 Пластина 5 (кроме поперечного смещения) имеет воэможность поворота на 90 ф вокруг оптической оси прибора, 65 сдвига, вносимого этой пластиной от длины волны для различных комбинаций сортов стекла, из которых выполнена пластина.Предлагаемый теневой прибор вклю" чает в себя точечный источник 1 бе лого света, коллимирующую линзу 2, исследуемый прозрачный объект 3, фурье-преобразующую линзу 4, полу- волновую фазовую пластину 5, установленную в задней Фокальной плоскости линзы 4 с воэможностью перемещения в направлении, перпендикулярном фазосдвигающей ступени пластины, линзу 6, осуществляющую обратное Фурье-преобразование, и.панорамное 15 регистрирующее устройство 7, оптически сопряженное линзами 4 и 6 с исследуемым объектом 3. При этом пластина 5 образована двумя соединенными между собой плоскопараллельными пластинами 8 и 9 с одинаковой расчетной толщиной, которые выполнены из различных по показателю преломления специально подобранных сортов стекла. 25На скрепленные пластины 8 и 9 нанесено поглощающее металлическое покрытие переменной плотности. Градиейт плотности покрытия 10 ориентирован перпендикулярно Фазосдвигающей З 0 ступени пластины 5, т.е. плоскости стыковки пластины 8 и 9, причем на линии фазового. скачка покрытие 10 имеет нулевое пропускавие (фиг. 2, кривая 11).Поглощающее покрытие 10 можно изготовить, например, методом вакуумного напыления. Его толщина зависит от требуемого пропускания в данном месте пластины и от поглощающих свойств напыляемого материала. Толщина покрытия обычно много меньше длины волны. Компоненты 8 и 9 амплитудно-фазовой пластины 5 выполнены из таких соРтов стекла, у которых 45 для средней длины волны рабочего спектрального интервала производные по длине волны отношений показателя преломления к длине волны равны между собой. При этом могут использоваться, например, следукицие комбинации сортов стекла: Бфи БФтолщиной 25,0 мкм (Фиг. 3., кривая 12), БФи БФтолщиной 21,6 мкм (кривая 13), а также Ки Ктолщиной 188,7 мкм (кривая 14). Толщина пластины 5 вычисляется с учетом показателей преломления выбранных сортов стекла из условия реализации фазового скачка со средней величиной 180 60 Полихромный световой поток, выходящий из точечного источника света 1, коллимируется линзой 2 и про свечивает исследуемый объект 3, имеющий фазовые неоднородности. Промодулированный объектом 3 световой поток собирается линзой 4 в ее задней фокальной плоскости, т.е, в плоскости Фурье-преобразования, где установлена амплитудно-фазовая пластина 5.Объектив строит на Фоточувствительной части панорамного приемника плоскую картину, соответствующую неоднородностям объекта 3.При этом поглощающее покрытие 10 фазовой пластины 5 подавляет крылья ядра Гильберт-преобразования, улучшая его дифференцирующие свойства. Центр ядра, т.е. его дифференцирующая часть, не затрагивается, и в этом смысле никаких светопотерь не происходит, Такой транспарант позволяет реализовать любые, наперед заданные характеристики теневого прибора по пространственному разрешению и динамическому диапазону измеряемых фазовых искажений и, следовательно, по пороговой чувствительности прибора.Конкретный вид пропускания пластины 5 зависит от требований к ширине ядра или к динамическому диапазону. Например, .если ядро должно иметь вид е., М(быстро убывающая функция прихр(х ) 1), то т) = Ег 1(фиг. 2), где Ег - интеграл вероятности,с - параметр, определяющий эффективную ширину ядра. Прис-со оператор стремится к идеально дифференцирудщему, а динамический диапазон и пространственное разрешение стремятся к бесконечностн,. Естественно, что при этом световой поток от площадки, равной элементу разрешения, будет стремиться к нулю. Указанные выше требования к выбору сортов стекла компонентов пластины 5 обеспечивают при допустимой по-. грешности Фазового сдвига5 расширение рабочего спектрального интервала примерно в 100 раз по сравнению со случаем применения классического фазового ножа (Фиг. 3).Если требования к допустимой погрешности жестче, то преимущества предлагаемой пластины еще ощутимее.Сдвиг плйстины 5 в направлении, перпендикулярном ее Фазосдвигающей ступени, т.е. в направлении градиента плотности, позволяет определять знак производной, а разворот пластины на 90 вокруг оси прибора - проводить измерения по двум направлениям.Редак э 4735/51 Тираа 51 ВНИИПИ Государстве по делам изобретя 113035, Москва, Ж, филиал ППП Патент, г. Уагород, ул. Проектна Таким образоМ, йрименение ахроматизированной амплитудно-фазовой пластины позволяет создать теневой прибор с любыми наперед заданными характеристиками по пространственному разрешению н пороговой чувстнительностиизмеряемых фазовых искажений, имеющий малые светопотери благодаря использованию широкого участка спектра источника света. Подписноеого комитета СССРий и открытийаушская наб., д, 4/5