Устройство с разнесенными ветвями для измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей
DEVICE WITH SPACED ARMS FOR MEASURING THE RADIUS OF CURVATURE OF CONCAVE OPTICAL PARTS

Область техники
Техническое решение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности.
Уровень техники
Задача измерения (определения) радиуса кривизны оптических поверхностей деталей больших размеров (крупногабаритной оптики) является достаточно важной и актуальной. Известны устройства измерения радиусов кривизн оптических деталей:
патент РФ RU 2623702 «Устройство и способ определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей на основе датчика волнового фронта» (МПК G01B 11/255 (2006.01), опубликовано 2017-06-28) и
патент РФ RU 2667323 «Способ и устройство дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта» (МПК G01B 11/255 (2006.01), G01M 11/02 (2006.01), опубликовано 2018-09-18), в которых измерение радиуса кривизны происходит благодаря измерению положения изображения точечного источника, построенного измеряемой оптической деталью относительно измерительного устройства. Для этой цели выходной зрачок волоконного лазера проецируется оптической системой устройства в фокальную плоскость оптической насадки.
Однако указанные устройства имеют существенный недостаток.
Поскольку проекция точечного источника, которая совмещается с центром кривизны измеряемого зеркала, является изображением центра выходного зрачка волоконного лазера через оптическую систему и находится на оси отраженного от этого зеркала излучения (в обратном ходе), то вследствие этого возникает большое рассогласование между точкой максимальной концентрации энергии и точкой, где радиус кривизны волнового фронта минимален (т.е. световой пучок не является гомоцентрическим). В силу же особенностей работы датчиков волнового фронта (ДВФ) и на основании приведенной в вышеуказанных патентах схемы работы прибора, на ДВФ плоский волновой фронт будет регистрироваться при совмещении фокуса насадки прибора с точкой, где радиус кривизны волнового фронта будет минимален, что приводит к погрешности определения начального положения устройства относительно измеряемого зеркала и, следовательно, к погрешности измерения радиуса кривизны контролируемой детали.
Величина описанного рассогласования зависит от характеристик используемого лазера, конструктивных параметров оптической системы устройства, качества изготовления оптических элементов и в большой степени от точности юстировки устройства. Поэтому заранее рассчитать его не представляется возможным.
Такое рассогласование не является постоянной величиной и может зависеть от величины перемещения фокуса насадки от центра кривизны измеряемой оптической детали, что приводит к увеличению погрешности измерения радиусов кривизн оптических деталей.
Этот принципиальный для указанных устройств недостаток можно устранить тем, что в приборе измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей необходимо разнести осветительную и измерительную ветви. Преимуществом по сравнению с указанными устройствами является то обстоятельство, что в устройстве с разнесенными ветвями в центр кривизны измеряемой оптической детали помещается сам точечный источник, а не его изображение, благодаря чему становится возможным существенно уменьшить указанное рассогласование и повысить точность измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей.
В качестве прототипа возьмем устройство, описанное в патенте РФ RU 2667323, где в центр кривизны измеряемой оптической детали в начальном положении проецируется изображение точечного источника (волоконного лазера) с помощью оптической системы устройства.
Ограничением этого устройства является наличие рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, положение которого измеряет устройство, вследствие проецирования точечного источника оптической системой.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей изобретения устройства можно признать возможность уменьшения погрешности измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей путем устранения рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, характерного для прототипного устройства.
Применительно к предлагаемому устройству задача решается тем, что предлагаемое к патентованию устройство содержит дополнительный вынесенный светоделительный элемент 2, установленный в устройство таким образом, что в начальном положении совмещаются точечный источник 1, фокус насадки 4 измерительного устройства и центр кривизны измеряемой оптической детали 3, а при проведении измерений относительно измеряемой детали перемещается все устройство, включающее измерительную часть, дополнительный светоделительный элемент 2 и точечный источник 1, а положение дополнительного светоделительного элемента и точечного источника относительно фокуса насадки 4 не изменяется. Т.е. точечный источник благодаря дополнительному светоделительному элементу 2 теперь размещается перед измерительной частью, состоящей из элементов 4,5,6,7,8 и перемещается при измерении вместе с ней, сохраняя при этом в процессе измерения свое положение неизменным относительно фокуса насадки 4.
По сравнению с прототипным устройством измерения из патента RU 2667323, в предлагаемом устройстве отсутствует рассогласование между точкой концентрации энергии и точкой, где минимален радиус кривизны волнового фронта (т.е. пучок, освещающий измеряемую поверхность и пучок, приходящий в насадку устройства, являются гомоцентрическими), что приводит к снижению погрешности измерения радиуса кривизны контролируемой поверхности оптической детали примерно в 3…4 раза.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей с разнесенными ветвями, где:
1 - точечный источник на основе п/п лазера с волоконным выходом,
2 - дополнительный светоделительный элемент,
3 - контролируемое зеркало,
4 - фокусирующая насадка,
5 - вводной объектив афокальной системы,
6 - светоделительный элемент,
7 - выходной объектив афокальной системы,
8 - датчик волнового фронта.
Осуществление изобретения
Пример осуществления изобретения Для проверки работоспособности предлагаемого к патентованию устройства измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с разнесенными ветвями в МГТУ им. Н.Э.Баумана был создан макетный образец измерительного прибора, построенный по приведенной на фиг. 1 схеме, где изображение точечного источника 1, располагающегося в центре кривизны измеряемого зеркала 3 совмещено с фокусом насадки 4 прибора, причем сам точечный источник 1 благодаря дополнительному светоделительному элементу 2 выносится за пределы оптической системы измерительной части устройства (элементы 4,5,6,7 как в прототипе), но на одной с ним платформе и на фиксированном расстоянии от фокуса насадки 4. Светоделительный элемент 6 необходим для первоначального совмещения оптических осей элементов прибора, измеряемого зеркала и осевого положения точечного источника 1. Использовавшийся датчик волнового фронта имеет следующие характеристики:
- минимально измеряемый радиус кривизны волнового фронта 350 мм;
- диаметр зрачка 11,15 мм;
- фокусное расстояние линзового растра - 3,2 мм;
- размер элемента линзового растра - 136 мкм;
- число элементов - 80×80 (6400);
- погрешность измерения PV - 2 нм.
Проведенные испытания показали существенное (до 50 раз) уменьшение рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, приведшее к уменьшению погрешности измерений. Данные измерений для нескольких оптических деталей с различными радиусами кривизны, полученные в ходе испытаний приведены в таблице.
По сравнению с прототипным устройством измерения из патента RU 2667323 относительная погрешность измерения радиуса кривизны контролируемой оптической детали становится заметно меньше, а также, при этом не требуется сложной аппаратуры для юстировки устройства.