ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
INTERFEROMETRE FOR CONTROLLING SHAPE OF OPTICAL COMPONENTS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерферометрам Физо для контроля формы поверхности оптических деталей.
Известен интерферометр Физо для контроля формы оптических поверхностей, состоящий из лазера, двух светоделительных элементов, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива и видеокамеры (D.Malacara. Optical Shop Testing. Second Edition. Johh Wiley and Sons, Inc., NY. 1992 г, стр.27).
Недостатком известного интерферометра является сложность конструкции, большие световые потери в оптической схеме и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали.
Известны также интерферометры для контроля формы оптических деталей, состоящие из лазера, микрообъектива, двух светоделительных элементов, системы зеркал, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива, видеокамеры и матового стекла (Патент США №4201473, опубл. 06.05.1980, МПК G01B 9/02, Патент США №5064286, опубл. 11.12.1991, МПК G01B 11/26).
Общим недостатком известных интерферометров является сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования одной видеокамеры как для настройки, так и для измерения, большие световые потери в оптической схеме, связанные с наличием нескольких светоделительных элементов, и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали относительно источника света.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является интерферометр для контроля формы оптических деталей, состоящий из источника оптического излучения, светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой детали, диафрагмы, первого и второго проекционных объективов и первой и второй видеокамер, которые электрически связаны хотя бы с одним блоком отображения изображения (Патент Японии № JP 3427499, опубл. 16.05.2003, МПК G01B 9/02).
В данном интерферометре первая видеокамера служит для регистрации интерференционной картины, возникающей после отражения оптического излучения от эталонного элемента и контролируемой оптической детали. Вторая видеокамера служит для обеспечения взаимной юстировки оптической системы интерферометра и внешних оптических элементов. Отраженное от эталонного элемента и контролируемой детали оптическое излучение падает на вторую видеокамеру, проходя через светоделительный элемент. Наличие этого светоделительного элемента усложняет оптическую схему интерферометра, увеличивает его габариты, стоимость и вносит дополнительные световые потери. Кроме того, светоделительный элемент в оптической схеме интерферометра вносит значительные искажения волнового фронта, особенно если он установлен в расходящемся пучке света и выполнен в виде оптической пластины, установленной под углом 45° (Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под. ред. В.А.Панова. Ленинград, Машиностроение, 1980 г., стр.127).
Вторая видеокамера, расположенная в плоскости, сопряженной с фокальной плоскостью коллимирующего объектива, регистрирует положение двух световых пятен, отраженных соответственно от эталонного элемента и контролируемой детали. Наклонами эталонного элемента и контролируемой поверхности добиваются совмещения пятен с центром сенсора видеокамеры. Таким образом, диапазон углов, в котором обеспечивается угловая юстировка, ограничен размером сенсора, по которому передвигаются пятна. При использовании сенсора с размером диагонали 1/3″ (или Lm=4.8×3.6 мм) максимальный угол, в котором может осуществляться юстировка, составляет φ=Lm/f, где f - фокусное расстояние коллимирующего объектива. При f=1000 мм диапазон юстировки составляет φ~0.25°, что недостаточно для практической работы. Для обеспечения корректной работы интерферометра необходимо точное совмещение изображений пятен друг с другом и с оптической осью прибора, на которой расположен источник излучения (лазер). В известном приборе обеспечено точное совмещение пятен друг с другом. Однако их совмещение с оптической осью прибора не предусмотрено, так как оптическое излучение после отражения от эталонного элемента и контролируемой детали направляется к сенсору видеокамеры с изломом оптической оси. Таким образом, центр сенсора второй видеокамеры не связан с оптической осью прибора и может быть установлен с некоторой погрешностью, что вносит погрешности при измерении формы поверхности точных оптических деталей. Точное совмещение центра источника излучения с его автоколлимационными изображениями (световыми пятнами), полученными после отражения от эталонного элемента и контролируемой детали, особенно необходимо при контроле асферических деталей с помощью голографических компенсаторов волнового фронта. В этом случае должна быть обеспечена точность совмещения не хуже 5 угловых секунд, что не обеспечивается в известном интерферометре.
Недостатками известного интерферометра является сложность конструкции, необходимость применения нескольких светоделительных элементов, что увеличивает потери света и вносит оптические искажения в световой пучок, а также сложность в юстировке оптической системы и ограниченный диапазон юстировки углов эталонного элемента и контролируемой детали.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции и увеличение светопропускания за счет уменьшения количества светоделительных элементов, уменьшение габаритов, а также увеличение диапазона и точности юстировки эталонного элемента и контролируемой детали.
Д
Поставленная задача решается за счет того, что в интерферометре, состоящем из оптически связанных источника оптического излучения, светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой детали, диафрагмы, первого и второго проекционных объективов, первой и второй видеокамер, электрически связанных хотя бы с одним блоком отображения изображения, оптическая ось второго проекционного объектива и второй видеокамеры проходит через центр диафрагмы под углом α к оптической оси, соединяющей центр диафрагмы и коллимирующий объектив, причем внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы оптически связана через второй проекционный объектив с плоскостью второй видеокамеры. Внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы выполнена в виде отражающего падающее оптическое излучение экрана, который имеет размер L, определяемый выражением
Д
L≥2ftg(φ),
где φ - угол наклона отраженного от эталонного элемента или от контролируемой детали оптического излучения при настройке интерферометра, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива.
СД
Светоделительный элемент выполнен в соответствии с размером L, определяемым выражением
СД
L≥k2(f-B)tg(φ),
где коэффициент k=1÷1.5, В - расстояние между диафрагмой и светоделительным элементом.
Плоскость диафрагмы наклонена к оптической оси, соединяющей центр диафрагмы и коллимирующий объектив на угол (90°-α/2), причем α<90°.
Внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы выполнена с нанесенной на нее графической информацией.
Графическая информация выполнена в виде креста с центром, совмещенным с изображением центра диафрагмы. Крест выполнен в виде темных линий на светлом фоне
Установленная вне оптической оси вторая видеокамера выполнена с возможностью подсветки диафрагмы дополнительным источником оптического излучения. Дополнительный источник оптического излучения выполнен с возможностью регулировки интенсивности излучения.
Блок отображения изображения, электрически связанный со второй видеокамерой, выполнен с возможностью одновременного отображения плоскости диафрагмы и графической информации.
Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов, уменьшение потерь оптического излучения и увеличение точности юстировки интерферометра.
На фиг.1 изображена принципиальная схема интерферометра для контроля формы оптических деталей, где 1 - источник оптического излучения, 2 - светоделительный элемент, 3 - коллимирующий объектив, 4 - эталонный элемент, 5 - контролируемая деталь, 6 - диафрагма, 7 - экран, 8 - первый проекционный объектив, 9 - первая видеокамера, 10 - блок отображения изображения, 1 - второй проекционный объектив, 12 - вторая видеокамера, 13 - дополнительный источник оптического излучения.
На фиг.2 приведен пример изображения на экране монитора световых пятен и креста наведения, где 14 - изображение светового пятна от эталонного элемента, 15 - изображение светового пятна от контролируемой детали, 16 - изображение креста наведения.
На фиг.3 приведен пример изображения креста наведения и изображения отверстия диафрагмы на экране монитора в процессе калибровки, где 17 - изображение отверстия диафрагмы.
Интерферометр состоит из источника оптического излучения 1, светоделительного элемента 2, коллимирующего объектива 3, эталонной пластины 4, контролируемой детали 5, диафрагмы 6, экрана 7, первого проекционного объектива 8, видеокамеры 9, блока отображения изображения 10, второго проекционного объектива 11, второй видеокамеры 12, дополнительного источника оптического излучения 13.
Интерферометр (фиг.1) работает следующим образом. Оптическое излучение от точечного монохроматического источника света 1 (например, одночастотного He-Ne лазера, снабженного короткофокусным микрообъективом и микродиафрагмой) направляется через светоделительный элемент 2 к коллимирующему объективу 3, проходит эталонный элемент (например, прецизионную кварцевую пластину) 4 и освещает контролируемую деталь 5. Плоскости эталонной пластины (поверхность А) и контролируемой детали установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности (поверхность А на фиг.1) эталонной пластины 4 (опорный световой пучок) и контролируемой детали 5 (измерительный световой пучок), снова проходит коллимирующий объектив 3, светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 6. При правильной настройке интерферометра оптическое излучение, отраженное от эталонной пластины 4 и контролируемой детали 5, проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 6 к первому проекционному объективу 8 и первой видеокамере 9. На фоточувствительной поверхности видеокамеры 9 формируется интерференционная картина, которая рассматривается и анализируется с помощью блока отображения изображения 10. В качестве этого блока может использоваться видеомонитор или монитор компьютера. Диаметр D отверстия диафрагмы выбирается для осуществления фильтрации бликов и паразитного рассеянного оптического излучения:
где β - угловой размер фильтруемого оптического излучения, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива 3.
Если β=0.5 угловых мин, то при f=1000 мм, радиус диафрагмы D=0.3 мм. Для точной работы интерферометра необходимо обеспечить настройку положения точек фокусировки опорного и измерительного световых пучков в центре отверстия диафрагмы с погрешностью не более δ=(0.1-0.5)D. При этом угловая погрешность положения пластины 4 и детали 5 в пространстве составит менее 5-10 угловых сек.
В предлагаемом интерферометре для обеспечения быстрой и точной настройки (юстировки) точного положения пластины 4 и детали 5 в пространстве внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы 6 выполнена в виде экрана 7, отражающего падающее оптическое излучение. Экран представляет собой поверхность белого цвета с матовой текстурой, рассеивающей падающее оптическое излучение, с отверстием в центре. Размер отверстия равен диаметру D отверстия диафрагмы.
Д
На этапе настройки (юстировки) интерферометра на экран 7 проецируется оптическое излучение, отраженное от эталонной пластины 4 и контролируемой детали 5. Так как экран расположен в фокальной плоскости коллимирующего объектива 3, отраженное излучение будет иметь вид двух маленьких ярких пятен. Для обеспечения контроля положения отраженного излучения в угле наклона отраженного оптического излучения φ, диафрагма на экране 7 имеет размер L, который определяется выражением
СД
Для устранения виньетирования отраженного излучения светоделительный элемент 2, расположенный между коллимирующим объективом 3 и экраном 7, имеет световой размер L, определяемый выражением
Д
СД
где k=1÷1.5, коэффициент, зависящий от угла наклона светоделительного элемента, В - расстояние между диафрагмой и светоделительным элементом по оптической оси. Если угол наклона отраженного от эталонного элемента или от контролируемой детали оптического излучения φ=±1°, размер экрана 7 составляет около L=35 мм. Размер светоделительного элемента (пластины или клина) L составляет около 50 мм при B=50 мм.
Перед экраном под углом α к оптической оси, соединяющей центры диафрагмы и коллимирующего объектива, установлены второй проекционный объектив 11 и дополнительная видеокамера 12. Угол наклона α к оптической оси, соединяющей центры диафрагмы и коллимирующего объектива, выбран таким образом, чтобы не перекрывать оптическое излучение, поступающее к диафрагме 6 и экрану 7 после отражения от пластины 4 и детали 5, причем α<90°. Плоскость экрана 7 оптически сопряжена с помощью проекционного объектива 11 с плоскостью видеокамеры 12, которая электрически связана с блоком отображения изображения 10. Для обеспечения эффективного отражения излучения от экрана к видеокамере 12, плоскость диафрагмы наклонена на угол (90°-α/2) к оптической оси, соединяющей центры диафрагмы и коллимирующего объектива.
На этапе настройки (юстировки) интерферометра, на экран 7 проецируется отраженное излучение в виде двух маленьких ярких пятен. При точной настройке интерферометра они должны попасть в центр диафрагмы. Изображение этих световых пятен с экрана 7 с помощью проекционного объектива 11 и видеокамеры 12 передается в блок отображения изображения 10 и наблюдается оператором в виде двух световых пятен (14 и 15) на мониторе этого блока. В интерферометре предусмотрены два варианта юстировки.
Согласно первому варианту одновременно с изображением световых пятен (14 и 15) на мониторе программным путем формируется штриховое изображение, например крест 16, центр которого совмещен с центром отверстия диафрагмы, как показано на фиг.2. Наклоном поверхности эталонной пластины 4 и детали 5 добиваются совмещения изображения пятен с центром креста. При этом оптическое излучение проходит отверстие диафрагмы и поступает к первой видеокамере 9, а изображения пятен на мониторе блока отображения изображения 10 исчезают. Для правильной работы устройства необходимо осуществить точное совмещение центра креста на экране монитора и центра отверстия диафрагмы (режим калибровки). Для этого рядом с видеокамерой 12 установлен дополнительный источник некогерентного оптического излучения 13 для подсветки экрана 7. Им является светодиод с возможностью регулировки интенсивности излучения. На этапе калибровки интенсивность излучения источника 13 выбирается таким образом, чтобы на мониторе блока отображения изображения 10 наблюдалось изображение 17 отверстия диафрагмы и изображение креста наводки 16, как показано на фиг.3. Перемещением (программным путем) центра изображения креста 16 добиваются его совмещения с центром изображения диафрагмы. Затем источник некогерентного оптического излучения 13 выключается.
Согласно второму варианту внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы (экран 7) выполнена с заранее нанесенной на нее графической информацией, например, в виде креста темного цвета на белом фоне. Интенсивность оптического излучения дополнительного источника 13 выбирается исходя из оптимального контраста одновременного наблюдения световых пятен 14 и 15 и креста наводки 16. До начала настройки интерферометра эти пятна случайным образом лежат на диафрагме. Для правильной настройки интерферометра необходимо юстировать (наклонять) плоскости эталонной пластины 4 и контролируемой детали 5 для того, чтобы пятна совместились друг с другом и с центром креста в плоскости отверстия диафрагмы.
Таким образом, в предлагаемом изобретении обеспечивается упрощение конструкции и уменьшение потерь света за счет применения только одного светоделительного элемента. Точность юстировки эталонного элемента, контролируемой детали и источника излучения увеличивается за счет непосредственного контроля их взаимного положения на экране 7, который расположен точно на оптической оси устройства. Угловой диапазон юстировки увеличен, так как автоколлимационные изображения наблюдаются на экране большого размера.