Способ определения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с центральным осевым отверстием методом оптической дальнометрии
METHOD FOR DETERMINING RADIUS OF CURVATURE OF CONCAVE OPTICAL SPHERICAL SURFACE WITH CENTRAL AXIAL HOLE BY OPTICAL RANGING METHOD

1. Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности.
2. Уровень техники
Задача измерения (определения) радиуса кривизны оптических поверхностей деталей больших размеров с осевым отверстием (крупногабаритной оптики) является достаточно важной и актуальной, особенно в области астрономических оптических систем.
Известен способ измерения радиуса кривизны оптической поверхности при отсутствии точной направляющей, который предполагает использование автоколлимационной трубы, а косвенное измерение радиуса кривизны оптической поверхности производится по формуле, в которую входят фокусное расстояние объектива автоколлимационной трубы, расстояние между вершиной измеряемой поверхности и передней главной плоскостью объектива и измеренная прямым способом величина перемещения окуляра автоколлимационной трубы. (См. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. «Оптические измерения».: М. Машиностроение. 1987 г. Стр. 89-91). Однако, в этом способе наличие нескольких составляющих в формуле увеличивает погрешность измерения радиуса кривизны.
Также известен способ определения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с помощью метода дальнометрии (патент RU 2491504), в котором измерение ведется вдоль оптической оси, на которой расположена измеряемая поверхность и ось автоколлимационного микроскопа. Именно этот способ выбран в качестве прототипа. Такой способ исключает большинство погрешностей первого, но не позволяет измерять дальность до поверхности с центральным осевым отверстием.
В прототипном способе фокусируют автоколлимационный микроскоп в центр кривизны вогнутой оптической сферической поверхности и в этом положении фиксируют относительное расположение подвижного основания микроскопа и вогнутой оптической сферической поверхности. Далее при неподвижном положении вогнутой оптической сферической поверхности и автоколлимационного микроскопа, методом оптической дальнометрии, с помощью оптического пучка, проходящего по тому же оптическому тракту, что и визуальный пучок автоколлимационного микроскопа, определяют дальность до вогнутой оптической сферической поверхности. После этого устанавливают в центр кривизны вогнутой оптической сферической поверхности предмет и определяют дальность до этого предмета методом оптической дальнометрии, с помощью оптического пучка, проходящего по тому же оптическому тракту, что и визуальный пучок автоколлимационного микроскопа и находят разницу между этими двумя дальностями, которая и будет радиусом кривизны вогнутой оптической сферической поверхности.
Ограничением данного способа является невозможность измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с центральным осевым отверстием. Действительно, для измерения радиуса кривизны зеркала с осевым отверстием требуется направить луч дальномера под определенным углом на него (фиг. 1) и затем установить отражающий предмет в центр кривизны под тем же углом. В этом случае прототипный способ не будет работать, поскольку для предмета, установленного в фокусе автоколлимационного микроскопа будет очень большая погрешность в определении его угла расположения относительно оптической оси.
3. Раскрытие изобретения
Для решения поставленной задачи был разработан новый способ, в котором вместо установки в центре кривизны измеряемого зеркала предмета осуществляется введение в ход лучей оптической схемы эталонного вогнутого зеркала известного радиуса Rэт, так, чтобы его центр кривизны совпадал с таковым у измеряемого зеркала, после чего луч дальномера направляют на него под тем же углом, что и на измеряемое зеркало.
Таким образом, предлагаемый способ определения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности 1 (фиг. 1) методом дальнометрии использует любой прибор, позволяющий получить автоколлимационный ход лучей, проходящих через центр кривизны измеряемого зеркала в измерительной схеме фиг. 1 для определения положения центра кривизны этого зеркала. Такими приборами могут быть, например, прибор с датчиком волнового фронта (патент № RU 2623702), автоколлимационный микроскоп, либо интерферометр, позволяющие совместить точку фокусировки выходящего из них пучка с центром кривизны измеряемого зеркала. Прибор закрепляют на платформе 6, на которой установлены дальномер 4, неподвижное зеркало 2 и подвижное зеркало 3, а точку фокусировки выходящего из него пучка сначала совмещают с центром кривизны измеряемой вогнутой оптической сферической поверхности при убранном подвижном зеркале 3, после чего в этом положении в пределах апертурного угла измеряемой вогнутой оптической сферической поверхности вводят подвижное зеркало 3 и выбирают его угол наклона относительно оптической оси так, чтобы измерительный пучок лазерного дальномера попадал на эту поверхность через ее центр кривизны (фиг. 1) и фиксируют расстояние D1, после чего сдвигают подвижное зеркало 3 и устанавливают эталонное вогнутое зеркало известного радиуса Rэт 7 (фиг. 1), совмещая его центр кривизны с центром кривизны измеряемого зеркала, далее сдвигают подвижное зеркало в прежнее положение и снова направляют измерительный пучок лазерного дальномера на зеркало известного радиуса через его центр кривизны под тем же углом (зеркало 3 смещается перпендикулярно оптической оси, сохраняя угловое положение как в предыдущем измерении), что и для измеряемой поверхности и фиксируют полученное расстояние D2, В этом случае искомый радиус контролируемой вогнутой оптической сферической поверхности Rз будет равен разнице между этими двумя дальностями, плюс величина Rэт, т.е. Rз=D1-D2+Rэт.
Принципиальным отличием является измерение расстояния дальномером не вдоль оптической оси, а в пределах апертурного угла измеряемой вогнутой оптической сферической поверхности через ее центр кривизны. Благодаря такому изменению хода измерительного пучка лазерного дальномера и введению измерения расстояния до зеркала известного радиуса Rэт предлагаемый способ позволяет измерить радиус кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с центральным осевым отверстием.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображена функциональная оптическая схема для осуществления предлагаемого способа измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с центральным осевым отверстием, где:
1 - измеряемое зеркало;
2 - неподвижное зеркало;
3 - подвижное зеркало;
4 - дальномер;
5 - автоколлимационный микроскоп;
6 - общая платформа для закрепления дальномера, измерительного прибора и неподвижного зеркала;
7 - эталонное зеркало известного радиуса.
4. Осуществление изобретения.
Пример осуществления изобретения Для проверки работоспособности предлагаемого к патентованию способа измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с центральным осевым отверстием в МГТУ им. Н.Э.Баумана в рамках НИР был создан макетный образец измерительного прибора (патент № RU 2623702) с дополнительной системой зеркал, указанных на фиг. 1.
Для измерения зеркал с радиусами кривизн в диапазоне от 985 мм до 1976 мм использовался метод дальнометрирования. Осевое отверстие имитировалось непрозрачной круговой диафрагмой. Погрешность измерения этим методом составила 0,05-0,08%. Результаты испытаний макетного образца прибора по методу дальнометрирования приведены в таблице.
Результат измерения дистанции дальномером имеет разброс значений меньше последнего отображаемого разряда, поэтому в качестве СКО взято паспортное значение СКО дальномера «Leica DISTO Х310» для дистанций от 1 до 8 м.