АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использована для измерения децентрировки оптических элементов при их центрировании.
Известно интерферометрическое устройство для центрировки линз (А.с. СССР №1543277, МПК G01M 11/02, приор. 31.05.86.)
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера, сфокусированный объективом, проходит отверстие в светоделителе и падает на центрируемую поверхность соосно ей. Пучки, отраженные от центрируемой поверхности, после отражения от светоделителя проходят оптический компенсатор и попадают в интерферометр поворотного сдвига. На выходе интерферометра поворотного сдвига установлен объектив, проецирующий два сдвинутых изображения на матричный фотоприемник. При смещении оси отраженного от контролируемой поверхности пучка относительно оси интерферометра поворотного сдвига на фотоприемнике образуется изображение системы прямых интерференционных полос, частота которых характеризует величину децентрировки, а наклон - ее направление. При отсутствии децентрировки картина приобретает вид «бесконечной полосы» (см. Фиг. 1а, б). Это справедливо при контроле центрировки сферических поверхностей.
При центрировке поверхностей с малой асферизацией интерференционная картина приобретает вид наклонных изогнутых полос, интерпретация которых не отличается от интерпретации полос при контроле сферы. При отсутствии децентрировки картина также имеет вид «бесконечной полосы» (см. Фиг. 1в, г).
Устройство не позволяет центрировать поверхности с большой асферизацией, поскольку образованная на выходе устройства интерференционная картина, разрешаемая приемником, имеет вид кольцевой зоны (см. фиг. 1д, е). Такую картину сложно интерпретировать визуально и расшифровать при помощи амплитудного интерферометра.
Известно интерферометрическое устройство для центрировки линз, выбранное нами в качестве прототипа (Пат-US №3.832.063, МПК G01B, публ. 27.08.1974.). Устройство использует для анализа децентрировки две локальные зоны, симметричные оптической оси.
Устройство работает следующим образом. Когерентный пучок лазера расщепляется на два, расположенных на расстоянии h, при помощи устройства расщепления и сведения лучей в виде наклонной плоскопараллельной пластинки. Эти два пучка с плоским волновым фронтом преобразуются линзой в пучки со сферическим фронтом и фокусируются в фокальной плоскости, в которой находится центр кривизны центрируемой поверхности оптической детали, расположенной в центрировочном патроне. Сферические пучки излучения, отраженные от поверхности детали, проходят в обратном ходе линзу, преобразуются в плоские, и при помощи плоскопараллельной пластины соединяются в плоскости интерференции, образуя интерференционную картину бокового сдвига. По величине и направлению перемещения интерференционных полос при вращении детали в центрировочном патроне можно определить направление и величину отклонения между центром кривизны поверхности детали и осью шпинделя.
Чувствительность устройства можно изменять за счет изменения расстояния между пучками с плоским волновым фронтом путем изменения толщины и показателя преломления плоскопараллельной пластины (или применения объектива с другим фокусным расстоянием).
Интерференционный канал устройства имеет высокую чувствительность к децентрировке поверхности детали, однако может использоваться для высокоточной центрировки только сферических поверхностей. Это связано с тем, что интерференционная картина большого бокового сдвига волновых фронтов с большой сферической аберрацией, которые получаются при отражении сферических волновых фронтов от асферических поверхностей, имеет замкнутый вид даже при отсутствии децентрировки (см. Фиг. 2а, б).
Техническим эффектом заявляемой полезной модели является расширение области применения устройства и для центрировки асферических элементов при одновременном упрощении конструкции и улучшении эргономических характеристик.
Такой технический эффект достигнут, когда в автоколлимационном интерферо-метрическом устройстве для центрировки, включающем размещенные на оптической оси по ходу луча в прямом ходе лазер, расширитель, устройство расщепления - сведения лучей, преобразующий параллельные пучки в расходящиеся объектив с фокальной точкой, совмещенной с центром кривизны измеряемой поверхности оптической детали, в обратном ходе проекционный объектив и матричное фотоприемное устройство, связанное с ЭВМ, новым является то, что устройство расщепления - сведения луча выполнено в виде призмы Кестерса, установленной с возможностью перемещения вдоль оси объектива, причем ось объектива расположена в плоскости светоделительной грани по нормали к основанию призмы, а оси лазера и расширителя, проекционного объектива и матричного фотоприемного устройства расположены соответственно по нормали к входной и выходной симметричным граням призмы.
На Фиг. 1 (а, б, в, г, д, е) приведена картина поворотного сдвига, где
а - интерференционная картина поворотного сдвига при децентрировке 100 мкм сферической поверхности со световьм диаметром 250 мм;
б - интерференционная картина поворотного сдвига без децентрировки сферической поверхности;
в - интерференционная картина поворотного сдвига при децентрировке 100 мкм асферической поверхности с малой асферизацией со световым диаметром 250 мм;
г - интерференционная картина поворотного сдвига без децентрировки асферической поверхности с малой асферизацией;
д - интерференционная картина поворотного сдвига при децентрировке 100 мкм асферической поверхности с большой асферизацией со световым диаметром 250 мм;
е - интерференционная картина поворотного сдвига без децентрировки асферической поверхности с большой асферизацией.
На Фиг. 2 (а, б) приведена картина бокового сдвига, где
а - интерференционная картина бокового сдвига при децентрировке 100 мкм асферической поверхности со световым диаметром 250 мм
б - интерференционная картина бокового сдвига без децентрировки асферической поверхности.
На Фиг. 3 приведена принципиальная схема автоколлимационного интерферометрического устройства для центрировки оптических элементов, где лазер 1, расширитель 2, устройство расщепления - сведения лучей в виде призмы 3 Кестерса, объектив 4, проекционный объектив 5, матричное фотоприемное устройство 6, ЭВМ 7, центрировочный патрон 8 для оптической детали и оптическая деталь 9.
На Фиг. 4 (а, б) приведена картина реверсивного сдвига, где
а - интерференционная картина реверсивного сдвига при децентрировке 100 мкм асферической поверхности со световым диаметром 250 мм
б - интерференционная картина реверсивного сдвига без децентрировки асферической поверхности.
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
Луч лазера 1 проходит расширитель 2, причем их оси установлены по нормали к входной грани призмы 3 Кестерса, расщепляется на светоделительной грани призмы на два луча, которые, отражаясь от боковых граней призмы, выходят через основание параллельно друг другу на расстоянии h. Расстояние h может изменяться путем сдвига призмы вдоль оси объектива для изменения чувствительности прибора. Затем лучи проходят объектив 4, преобразуясь в сферические фронты и фокусируясь в точке, совмещенной с центром кривизны контролируемой поверхности детали 9 (в случае асферической поверхности - в центре кривизны ближайшей сферы), и далее падают на симметричные периферийные зоны контролируемой поверхности. В обратном ходе отраженные от поверхности лучи проходят объектив 4, преобразуясь в плоские фронты (в случае асферической поверхности волновые фронты содержат осесимметричные аберрации - дефокусировку и сферическую аберрацию, осенесимметричные аберрации - астигматизм и кома, в том числе вызванные децентрировкой). Эти фронты проходят основание призмы 3 Кестерса, отражаются от боковых граней призмы и соединяются на светоделительной грани призмы, причем один луч зеркально отражен от светоделительной грани, что приводит его к оборачиванию относительно одной координаты.
Соединенные пучки проецируются проекционным объективом 5, оптическая ось которого расположена по нормали к выходной грани призмы, на матричное фотоприемное устройство 6, образуя интерференционную картину. Массив данных, соответствующий распределению интенсивностей на интерферограмме, передается в ЭВМ 7 для последующей обработки.
Локальные пучки в отличие от прототипа используются в предложенной полезной модели не только для того чтобы расположить их в зоне наибольшей чувствительности (зоне наибольшего градиента профиля поверхности), но и потому, что при большой асфе-ризации часть отраженных от поверхности лучей при полной апертуре освещающего пучка не попадет в апертуру объектива 4. В плоскости приемника отраженные от поверхности лучи образуют кольцевую зону, положение которой зависит от фокусировки объектива 4. В случае контроля поверхности с большой асферизацией база h между локальными пучками перемещением призмы 3 Кестерса должна быть установлена такой, чтобы освещать на контролируемой поверхности зоны с максимальным градиентом, а объектив 4 должен быть сфокусирован таким образом, чтобы пучки, отраженные в этих зонах, попадали в апертуру объектива 4 и образовывали интерференционную картину реверсивного сдвига.
Благодаря тому, что призма Кестерса в обратном ходе лучей образует интерферометр реверсивного сдвига, устройство нечувствительно к осесимметричным аберрациям (дефокусировке и сферической аберрации) и удваивает чувствительность к наклону отраженного волнового фронта и коме, получаемой в результате децентрировки.
Реверсивный сдвиг позволяет получить легко интерпретируемую интерференционную картину, которая при отсутствии децентрировки превращается в «бесконечную полосу» (см. Фиг. 4а, б).
Это качество позволяет в отличие от известных решений использовать предложенное устройство для контроля децентрировки поверхностей с большой асферизацией.
Установка призмы Кестерса с возможностью перемещения вдоль оси объектива позволила совместить две функции: - расщепления и сведения интерферирующих пучков и плавного изменения чувствительность схемы за счет изменения угла между локальными сферическими фронтами без смены элементов, что упрощает конструкцию и улучшает эргономику.
По схеме (см. Фиг. 3) создан макет предложенного устройства.
Использован одночастотный лазер 1 LCM-S-111 с длиной волны 532 нм производства ООО «Лазер-Экспорт», Москва, призма 3 Кестерса с размером основания 60 мм, объектив 4 от интерферометра Физо со световым диаметром 60 мм и относительным отверстием 1:1,5.
Перемещением призмы 3 Кестерса угловая апертура выходящих локальных пучков может изменяться от 1:1,5 до 1:6.
В качестве матричного приемника 6 использована камера с USB выходом фирмы ЭВС, Санкт- Петербург.
Чувствительность устройства к децентрировке асферических поверхностей с большой асферизацией составила менее 1 мкм (линейная) и 1 угл. сек. (угловая).
Предполагается использование предложенного автоколлимационного интерферометрического устройства при изготовлении высококачественных зеркальных и зеркально-линзовых объективов с асферическими поверхностями различного спектрального диапазона.