IT9020523A1 - Dispositivo ottico a reticolo per il controllo, in trasmissione, per rilevazione di fase, di un qualunque sistema ottico, in particolare di una lente oftalmica - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"DISPOSITIVO OTTICO A RETICOLO PER IL CONTROLLO, IN TRASMISSIONE, PER RILEVAZIONE DI FASE, DI UN QUALUNQUE SISTEMA OTTICO, IN PAR-TICOLARE DI UNA LENTE OFTALMICA"

La presente invenzione riguarda in modo generale il controllo di un qualunque sistema ottico.

Essa mira più particolarmente, ma non necessariamente in modo esclusivo, al controllo di una lente oftalmica.

Per il controllo di un sistema ottico è già stato preposto di applicare la prova di RONCHI e di procedere per rivelazione di fase.

Come è noto, la prova di RONCHI consiste nell'interporre, sull'onda luminosa emessa dal sistema ottico da controllare, al punto di convergenza di essa, un reticolo di tratti paralleli, alternativamente opachi e trasparenti, e nell'analizzare il sistema di frange osservabili allora a valle.

Queste frange che, limitandosi alle sole leggi dell'ottica geometrica, senza prendere in considerazione i fenomeni di diffrazione, sono sempre le stesse, e che non traducalo che la sola direzione dei raggi luminosi costitutivi dell'onda interessata, senza dipendere in alcun modo dalla stessa natura dei mezzi che essa ha attraversato, sono caratteristiche delle aberrazioni di tale onda.

Esse traducono, in effetti, in termini di pendenza, lo scarto tra la superficie d'onda corrispondente e la superficie d'onda teorica alla quale dovrebbe soddisfare questa.

Basta perciò misurare tale pendenza in ogni punto del sistema ottico da controllare, in pratica con la tecnica di rivelazione di fase, quindi procedere ad un’integrazione.

Un tale procedimento consente di misurare gli eventuali difetti di un sistema ottico, qualunque sia la sua qualità, ed ha il vantaggio di essere semplice e di fornire risultati con grande precisione.

Un dispositivo ottico che consente l'applicazione di un tale procedimento si trova descritto in particolare nell'articolo "Fringe Scanning Ronchi Test for Aspherical Surfaces", della rivista "APPLIED OPTICS", vol. 23, N° 20 del 15 ottobre 1984, così come nell'articolo "Phase Measuring Ronchi Test", della stessa rivista, voi. 27, N“ 3 dell'l febbraio 1988.

Globalmente, questo dispositivo ottico comporta, secondo un asse ottico, mezzi di emissione atti alla costituzione di una sorgente luminosa puntiforme coerente, una stazione d'attesa atta alla ricezione del sistema ottico da controllare, un reticolo di RONCHI, mezzi di ricezione atti alla ricezione dell'immagine osservabile a valle di tale reticolo di RONCHI, e mezzi informatici di trattamento atti all'utilizzazione di detta immagine per rilevazione di fase.

Ma in pratica l'esperienza dimostra che, così come è stato realizzato, questo dispositivo ottico non permette di raggiungere il grado di precisione sperato.

La presente invenzione ha per oggetto, in modo generale, un dispositivo ottico a reticolo di una precisione nettamente migliorata.

Questo dispositivo ottico, che è dunque atto al controllo, per rivelazione di fase, di un qualunque sistema ottico, è del genere comportante, secondo un asse ottico, mezzi di emissione atti alla costituzione di una sorgente luminosa, una stazione d'attesa atta alla ricezione del sistema ottico da controllare, un reticolo, mezzi di ricezione atti alla ricezione dall'immagine osservabile a valle del reticolo, e mezzi di trattamento atti all'utilizzazione di detta immagine per rivelazione di fase, ed è in modo generale caratterizzato da ciò che, tra la stazione d'attesa e il reticolo, è interposto un elemento adattatore di convergenza, e da ciò che i mezzi informatici di trattamento comportano mezzi di taratura atti a tener conto delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute all'elemento separatore, ed un programma di tracciato di raggi.

Tenuto conto della messa in opera di mezzi di taratura, l'elemento adattatore di convergenza utilizzato è senza incidenza sulla precisione dei risultati ottenuti.

Secondo uno sviluppo dell'invenzione, è ugualmente possibile, se necessario, mettere in opera, tra la sorgente luminosa e la stazione d'attesa, un elemento adattatore di apertura numerica atto a tener conto dell'apertura numerica e della formazione di oggetto e immagine da parte del sistema ottico da controllare.

Secondo l'invenzione, i mezzi di taratura sono allora essi stessi atti a tenere ugualmente conto delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute a detto elemento adattatore di apertura numerica.

Cosi, le caratteristiche dell'elemento adattatore di convergenza, e quelle dell'elemento adattatore di apertura numerica eventualmente messo in opera, sono, secondo l'invenzione, sistematicamente prese in considerazione, a vantaggio della precisione dei risultati ottenuti.

Per aberrazioni teoriche, prese in considerazione dai mezzi di taratura messi in opera secondo l'invenzione, si intendono qui, in modo usuale, le aberrazioni dovute alla sola combinazione dei componenti ottici, considerati allora in se stessi come perfetti, del sistema ottico da controllare.

Il programma di tracciato di raggi presente nei mezzi informatici di trattamento previsti dal dispositivo secondo l'invenzione permette vantaggiosamente di calcolare, diottro per diottro, per semplice applicazione della legge di DESCARTES, dette aberrazioni teoriche.

Inoltre, il dispositivo secondo l'invenzione può vantaggiosamente adattarsi alla messa in opera di diversi tipi di reticolo.

In effetti, i reticoli di fase, come quello che costituisce un prisma di WOLLASTON, sono tutti suscettibili di adattarsi alla sua messa in opera, altrettanto che i reticoli di ampiezza, come quello che costituisce un reticolo di RONCHI.

Infine, come variante, si può utilizzare, se desiderato, nel dispositivo secondo l'invenzione, una sorgente luminosa estesa spazialmente, incoerente, che consente vantaggiosamente di raggiungere, per i risultati, particolarmente con un reticolo di ampiezza, una precisione migliorata rispetto a quella ottenuta con una sorgente luminosa puntiforme.

Per sorgente luminosa estesa spazialmente, incoerente, si intende qui una sorgente luminosa rispondente alla definizione che ne è data nell'opera di M. FRANCON "HOLOGRAPHIE" (Ed. MASSON et Cie, 1969), pagg. 9 e 10.

Qui, una tale sorgente luminosa estesa spazialmente, incoerente, permette di ottenere frange di buona qualità in quanto risultanti dalla sovrapposizione di una pluralità di sistemi di frange.

In pratica, basta a questo fine la messa in opera di un vetro smerigliato rotante adattato, con una grana ed una velocità di rotazione soddisfacenti.

le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione risulteranno d’altra parte dalla descrizione che segue, a titolo di esempio, con riferimento al disegno schematico allegato, la cui figura unica è uno schema a blocchi, in pianta, di un dispositivo ottico secondo l'invenzione.

Questa figura illustra, a titolo di esempio, l'applicazione dell'invenzione al caso in cui il sistema ottico 10 da controllare sia una lente oftalmica.

Si può trattare, ad esenpio, e come rappresentato, di una lente oftalmica convessa, cioè di potenza ottica positiva.

Ma potrebbe anche trattarsi, ad esempio, di una lente oftalmica concava, di potenza ottica negativa.

In modo generale, può anche trattarsi di un qualunque sistema ottico.

Il dispositivo ottico 12 messo in opera per il controllo del sistema ottico 10 da controllare comporta globalmente, secondo un asse ottico A, mezzi di emissione 13, atti a costituire una sorgente luminosa 14, una stazione d'attesa 15, atta alla ricezione di un tale sistema ottico, un reticolo 16, mezzi di ricezione 17 atti alla ricezione dell'immagine osservabile a valle del reticolo 16, e mezzi informatici di trattamento 18 atti all'utilizzazione di detta immagine per rilevazione di fase.

Per mezzi informatici di trattamento si intende qui, sia il materiale informatico messo in opera, sia il software ad esso associato.

Nella forma di realizzazione rappresentata, i mezzi di emissione 13 comportano, successivamente, in modo in sé noto, un laser 19 ed un obiettivo 20 che focalizza il fascio luminoso emesso dal laser 19 in un punto indicato con 14, che forma allora sorgente, del foro di un diaframma 21, con interposta, volendo e come rappresentato, una "densità” 22 fra detto laser 19 e detto obiettivo 20.

In modo ugualmente in sé noto, il reticolo 16 è, ad esempio, un reticolo RONCHI, cioè un reticolo formato da tratti paralleli alternativamente opachi e trasparenti, secondo un passo che è ad esempio dell'ordine da 0,25 a 4 ititi, ed i mezzi di ricezione 17 conportano una telecamera 25, di cui si è schematizzato , in 28, l'obiettivo e, in 29, il piano d'analisi.

Si tratta, ad esempio, di una telecamera di tipo a mosaico, cioè di una telecamera a dispositivo di accoppiamento di carica, adatto, per esplorazione, ad una misura della quantità di luce ricevuta in ciascuno dei punti del suo piano di analisi 29, tale piano di analisi 29 costituendo più precisamente i mezzi di ricezione dell'immagine osservabile.

Secondo l'invenzione, il dispositivo ottico 12 conporta, interposto fra la stazione di attesa 15 e il reticolo 16, un elemento adattatore di convergenza 30, atto a tener conto della convergenza del sistema ottico 10 da controllare, ed i mezzi informatici di trattamento 18 comportano mezzi di taratura atti a tener conto delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute a detto elemento adattatore di convergenza 30, ed un programma di tracciato di raggi.

Nella forma di realizzazione rappresentata, il dispositivo ottico 12 secondo l'invenzione comporta, inoltre, tra la sorgente luminosa 14 e la stazione di attesa 15, un elemento adattatore di apertura numerica 31 atto a tener conto dell'apertura numerica e della formazione di oggetto e immagine da parte del sistema ottico 10 da controllare, ed i mezzi di taratura che i mezzi infornatici di trattamento comportano sono atti a tener conto anche delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute a detto elemento adattatore di apertura numerica.

I diversi componenti del dispositivo ottico 12 cosi costituito sono portati preferibilmente da un unico telaio disponendo, almeno per alami di essi, di un certo numero di gradi di libertà rispetto a tale telaio.

Le disposizioni corrispondenti non saranno descritte qui, essendo note al tecnico del ramo.

Basterà indicare che il reticolo 16 è portato da piastrine atte a consentirne, da una parte, una traslazione secondo una o l'altra di due direzioni ortogonali perpendicolarmente all'asse ottico A e, d'altra parte, una rotazione attorno ad una direzione ortogonale alle due precedenti.

Prese nel loro insiane, queste piastrine sono inoltre regolabili in posizione lungo l'asse ottico A, in modo che il reticolo 16 che esse portano possa essere disposto al punto di convergenza del fascio luminoso trasmesso dal sistema ottico 10 da controllare o in prossimità di tale punto di convergenza.

Esse sono inoltre preferibilmente sottoposte a mezzi di comando atti a permetterne uno spostamento controllato.

Inoltre, la telecamera 25, l'elemento adattatore di convergenza 30 e l'elemento adattatore di apertura numerica 31 sono montati preferibilmente mobili lungo l'asse ottico A,

Ma, in tal caso, sono previsti, sulle guide corrispondenti, degli arresti di posizionamento atti a servire loro da riferimento nel caso di eventuali cambiamenti di elementi (reticolo, elemento adattatore,...) per la conservazione della taratura effettuata precedentemente.

In funzionamento, il fascio luminoso, in pratica monocromatico, emesso dalla sorgente luminosa 14 proveniente dai mezzi di emissione 13, attraversa in modo continuo l'elemento adattatore di apertura numerica 31, il sistema ottico 10 da controllare e l'elemento adattatore di convergenza 30, prima di convergere sul reticolo 16.

Come si noterà, tale fascio luminoso è divergente all'entrata del sistema ottico da controllare nella forma di applicazione rappresentata.

Esso è comunque fatto preferibilmente in modo che non si tratti, allora, di un fascio parallelo.

In pratica, il reticolo 16 è posto in prossimità del punto di convergenza dell'onda emergente dall'elemento adattatore di convergenza 30, in modo da minimizzare il numero di frange presentate dall'immagine osservabile a valle e facilitare cosi le operazioni ulteriori ed aumentare la precisione dei risultati ottenuti.

A causa dei difetti che presenta inevitabilmente il sistema ottico 10 da controllare, la superficie d’onda che arriva sul reticolo 16 presenta aberrazioni che le frange osservate permettono di apprezzare.

Come indicato in precedenza, queste frange traducono in effetti in termini di pendenza lo scarto tra la superficie d'onda controllata e la superficie d'onda teorica.

Per risalire fino all'aberrazione trasversale della superficie d'onda controllata basta dunque, secondo la tecnica di rilevazione di fase, procedere ad una serie di misure, introducendo dall 'una all'altra uno sfasamento, cioè spostando ogni volta di una quantità determinata, perpendicolarmente all'asse ottico A, il reticolo 16.

Preferibilmente, il numero di misure così effettuate è dispari.

In pratica, per il calcolo della pendenza ricercata, sono necessarie misure in due direzioni ortogonali.

Basta poi, per ottenere la distanza, o scarto normale, che separa la superficie d'onda controllata dalla superficie d'onda teorica nel punto considerato, procedere ad un'integrazione.

In pratica, tutti gli spostamenti degli elementi mobili interessati sono pilotati da un software atto a permettere un'utilizzazione sistematica ed immediata dei risultati che ne conseguono.

Un tale software, non dipendendo dalla presente invenzione, non sarà descritto qui.

Lo stesso vale per il programma di tracciato di raggi, che è previsto, secondo l'invenzione, dai mezzi informatici di trattamento 18.

Un tale programma di tracciato di raggi, che è classico, e che è dunque perfettamente noto al tecnico del ramo, si limita ad applicare, di diottro in diottro, la legge di DESCARTES (n sin i = n' sin i').

A proposito dei mezzi di taratura che sono anche previsti, secondo l’invenzione, dai mezzi informatici di trattamento 18, si indicherà innanzitutto che, conformemente a tali mezzi di taratura, la somma delle aberrazioni da prendere in considerazione è immagazzinata in un archivio detto di taratura e viene sistematicamente sottratta da tutte le misure effettuate.

Questo archivio di taratura è ottenuto nel modo seguente. In una prima fase si calcola il sistema di frange teoriche F1 che si otterrebbero se l'elemento adattatore di convergenza 30, eventualmente l'elemento adattatore di apertura numerica 31, ed il sistema ottico 10 da controllare fossero perfetti, cioè se avessero caratteristiche geometriche ed ottiche strettamente identiche alle loro caratteristiche teoriche.

In una seconda fase si effettua una misura con un calibro perfetto disposto al posto del sistema ottico 10 e si ottiene un sistema di frange F2.

In una terza fase si calcola il sistema di frange teoriche F3 che si otterrebbe con tale calibro perfetto e l’elemento adattatore di convergenza 30 ed eventualmente l’elemento adattatore di apertura numerica 31, considerati come perfetti.

Una differenza è rappresentativa dei difetti di realizzazione dell'elemento adattatore di convergenza 30 ed eventualmente dell'elemento adattatore di apertura numerica 31.

L'archivio di taratura Fc è uguale a:

sia FM il sistema di frange determinato dall'apparecchio col sistema ottico 10.

L'integrazione che porta alla distanza o scarto normale che separa la superficie d'onda controllata rispetto alla superficie d'onda teorica sarà effettuata mediante il sistema di frange risultante dalla differenza:

Come indicato sopra, le aberrazioni così sistematicamente prese in considerazione secondo l'invenzione, sia per l'elemento adattatore di convergenza 30 che per l'elemento adattatore di apertura numerica 31, sono le aberrazioni teoriche e/o di realizzazione di tali elementi.

Così, le aberrazioni risultanti, come calcolate in funzione della differenza (FM - Fc), non dipendono più essenzialmente che dai soli difetti del sistema ottico 10 da controllare.

E' dunque possibile dedurne tali difetti con grandissima precisione.

In pratica, la precisione di realizzazione di ciascuna delle superfici ottiche che conporta l'elemento adattatore di convergenza 30 e/o l'elemento adattatore di apertura numerica 31, comportano, può vantaggiosamente non essere che dell'ordine della lunghezza d'onda, mentre, per elementi analoghi, essa deve, necessariamente, in assenza di mezzi di taratura, non essere che una frazione, dell'ordine di un ventesimo, di tale lunghezza d'onda.

Il prezzo di costo del dispositivo ottico 12 secondo l'invenzione risulta vantaggiosamente ridotto di altrettanto.

Secondo una variante di applicazione dell'invenzione, la sorgente luminosa 14 è una sorgente luminosa spazialmente incoerente, quale definita nell'opera di M. FRANCON citata sopra.

Il foro corrispondente del diaframma 21 ne delimita l'estensione.

In pratica, il diametro di tale foro, e quindi della sorgente, è dell'ordine del passo del reticolo 16, pur essendo inferiore ad esso.

Preferibilmente, tale diametro è uguale alla metà del passo del reticolo 16.

Congiuntamente, per l'incoerenza cercata, viene applicato, tra il laser 19 e l'obiettivo 20, a valle della "densità" 22, un vetro smerigliato 23 montato rotante sotto il comando di un motore 24.

Così, i diversi punti della sorgente luminosa 14 applicata secondo l'invenzione, non presentano alcuna relazione di fase tra loro.

Come è facile conprendere, è possibile modificare, se si vuole, l'estensione della sorgente luminosa 14.

Basta, ad esempio, per questo, spostare l'obiettivo 20 quando, come rappresentato, esso è posto dopo il vetro smerigliato 13.

Se, come variante, esso è posto prima di tale vetro smeri-gliato 13, basta allora spostare quest'ultimo.

Come indicato in precedenza, il reticolo 16, invece di essere un reticolo di ampiezza, quale un reticolo di RONCHI, può ad esempio essere un reticolo di fase quale un prisma di WOLLASTON.

Come è noto, un prisma di WOLLASTON è formato da due prismi birifrangenti, ad asse unico, affiancati, i cui assi sono perpendicolari fra loro.

Nel caso in cui venga applicato un tale prisma di WOLLASTON, è necessario associare ad esso, in modo in sé noto, due polarizzatori, i cui assi sono orientati differentemente da quelli di detto prisma di WOLLASTON.

Gli assi di detti polarizzatori sono preferibilmente a 45° rispetto agli assi del prisma di WOLLASTON.

E' da sottolineare, ugualmente, che il dispositivo ottico secondo l'invenzione può anche essere applicato al controllo del sistema ottico a gradiente d'indice, per determinarne, ad esempio, il profilo d'indice.

La presente invenzione non si limita dunque alle forme di applicazione descritte e rappresentate, ma ingloba ogni variante di esecuzione e/o di combinazione dei loro diversi elementi, nonché ogni variante di applicazione.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo ottico a reticolo per il controllo, per rilevazione di fase, di un sistema ottico del genere comportante, secondo una via ottica, mezzi di emissione (13) atti al costituire di una sorgente luminosa (14), una stazione d'attesa (15) atta alla ricezione del sistema ottico (10) da controllare, un reticolo (16), mezzi di ricezione (17) atti alla ricezione dell’immagine osservabile a valle del reticolo (16), e mezzi informatici di trattamento (18) atti all'utilizzazione di detta immagine per rilevazione di fase, caratterizzato da ciò che, tra la stazione d'attesa (15) e il reticolo (16), è interposto un elemento adattatore di convergenza (30), e da ciò che i mezzi informatici di trattamento (18) comportano mezzi di taratura atti a tener conto delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute a detto elemento adattatore di convergenza (30), ed un programma di tracciato di raggi.
2. 2) Dispositivo ottico come in 1), caratterizzato da ciò che il reticolo (16) è portato da piastrine atte a permetterne una traslazione secondo l'una o l'altra di due direzioni ortogonali ed una rotazione attorno ad una direzione ortogonale alle due precedenti.
3. 3) Dispositivo ottico come in 2), caratterizzato da ciò che le piastrine portanti il reticolo (16) sono sottoposte a mezzi di comando atti a permetterne uno spostamento controllato.
4. 4) Dispositivo ottico come in una qualunque delle rivendicazioni 2), 3), caratterizzato da ciò che, prese nel loro insieme, le piastrine portanti il reticolo (16) sono regolabili in posizione lungo l'asse ottico (A).
5. 5) Dispositivo ottico come in una qualunque delle rivendicazioni da 1) a 4), caratterizzato da ciò che comporta, inoltre, tra la sorgente luminosa e la stazione d'attesa (15), un elemento adattatore di apertura numerica (31), ed i mezzi di taratura che i mezzi informatici di trattamento (18) comportano sono atti a tener ugualmente conto delle aberrazioni, sia teoriche che di realizzazione, dovute a detto elemento adattatore di apertura numerica (31).
6. 6) Dispositivo come in una qualunque delle rivendicazioni da 1) a 5), caratterizzato da ciò che la sorgente luminosa (14) è una sorgente luminosa estesa, spazialmente incoerente.