ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ И УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формы оптических поверхностей и углового положения объектов.
Известно техническое решение - интерферометр Физо для контроля формы оптических поверхностей (D. Malacara. Optical Shop Testing. Second Edition. Johh Wiley and Sons, Inc., NY. 1992. стр.27) состоящий из лазера, двух светоделительных элементов, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива и видеокамеры.
Недостатком данного интерферометра является сложность конструкции, большие световые потери в оптической схеме и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали.
Известны технические решение, представленные в интерферометрах для контроля формы оптических изделий (Патенты США №4201473 «Optical interferometer system with CCTV camera for measuring a wide range of aperture sizes», МПК 6 01B 9/02,опубликовано 06.05.1980, патент США №5064286 «Optical alignment system utilizing alignment spot produced by image inverter», МПК G01B 11/26, G01B 9/02, опубликовано 11.12.1991) состоящие из лазера, микрообъектива, двух светоделительных элементов, системы зеркал, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива, видеокамеры и матового стекла.
Недостатком этих технических решений является сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования одной видеокамеры, как для настройки, так и для проведения измерений и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали относительно источника света.
к
Известно также техническое решение - интерферометр для контроля формы оптических деталей (Патент РФ №2432546, «Интерферометр для контроля формы оптических деталей», МПК G01B 9/02, опубликовано 11.27.2013), выбранное в качестве прототипа. Интерферометр для контроля формы оптических деталей состоит из оптически связанных источника оптического излучения, первого светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой оптической детали, диафрагмы и установленной за ней проекционного объектива с видеокамерой электрически связанной с хотя бы с одним блоком отображения изображения. Интерферометр также содержит вторую видеокамеру и второй проекционный объектив. Оптическая ось второго проекционного объектива и второй видеокамеры проходит через центр диафрагмы под углом α оптической оси, соединяющей центр диафрагмы и коллимирующий объектив. Внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы оптически связана через второй проекционный объектив с плоскостью второй видеокамеры.
m
В данном интерферометре первая видеокамера служит для регистрации интерференционной картины, возникающей после отражения оптического излучения от эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали. Вторая видеокамера вместе с вторым проекционным объективом установлены вне оптической оси между диафрагмой и коллимирующим объективом, причем внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы оптически сопряжена вторым проекционным объективом с плоскостью второй видеокамеры. Плоскость диафрагмы выполнена в виде отражающего падающее оптическое излучение экрана. С помощью второй видеокамеры оператор визуально на экране монитора наблюдает перемещение автоколлимационных световых пятен по этому экрану. Световые пятна формируются на экране при отражении от эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали. Для корректной работы интерферометра необходимо точное совмещение пятен друг с другом и с оптической осью прибора, на которой расположен источник излучения (лазер). В известном приборе обеспечена возможность совмещения пятен друг с другом и с оптической осью. Однако существует область в диапазоне юстировки, когда оба пятна попадают в отверстие диафрагмы (область определена размером отверстия диафрагмы L=0.5…2 мм), вследствие чего, оператор их не видит на мониторе, так как в этом месте экран отсутствует. Однако световые пучки, которые формируют пятна все еще не соосны, поэтому необходимо выполнять дополнительную юстировку использую изображение интерферограммы. При попадание пятен в отверстие диафрагмы исчезает возможность визуально контролировать точность совмещения пятен с главной оптической осью интерферометра, следовательно, процесс юстировки усложняется и требует больше времени.
В данном интерферометре имеется возможность визуально определить взаимное угловое положение эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали по измерению величины перемещения световых пятен по экрану. Размер световых пятен достаточно мал и составляет около 10-15 мкм. Однако погрешность определения углового перемещения световых пятен достаточно велика и определяется формулой:
где l - поперечный размер экрана, N - число элементов разрешения (пикселов) второй видеокамеры и второго объектива.
Из выражения (1) следует, что угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен составляет
1
1угл
m
При I=30 мм, N=500, f=1000 мм, погрешность определения углового перемещения составит σ=60 мкм, а соответствующая угловая погрешность составит σ≈10 угл. сек. В окрестности оптической оси эти измерения проводить нельзя, так как пятна попадают в отверстие диафрагмы диаметром L и не регистрируются второй видеокамерой.
Таким образом, недостатком данного технического решения является, низкая точность и сложность юстировки оптической схемы, низкая точность определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали, а также невозможность проводить указанные действия в районе оптической оси.
Перед авторами ставилась задача разработать интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей, позволяющий проводить юстировку и контроль углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали с большой точностью, быстротой и во всем диапазоне угловых перемещений.
Поставленная задача решается тем, что в интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, первого светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой оптической детали, диафрагмы и установленной за ней проекционного объектива с видеокамерой электрически связанной с хотя бы с одним блоком отображения изображения, между коллимирующим объективом и проекционным объективом дополнительно введены оптически связанные второй светоделительный элемент, фокусирующая линза и фоточувствительный элемент, электрически связанный с хотя бы одним блоком обработки и визуализации, причем фоточувствительный элемент может быть выполнен в виде позиционного чувствительного фотодетектора, второй светоделительный элемент может быть выполнен совмещенным с диафрагмой.
Технический эффект, заявляемого технического решения заключается в повышении точности юстировки интерферометра, упрощении и увеличении скорости процесса юстировки, а также в увеличении точности определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали.
На фиг. 1. представлена схема интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей, где 1 - источник оптического излучения, 2 - первый светоделительный элемент, 3 - коллимирующий объектив, 4 - эталонный оптический элемент, 5 - контролируемая оптическая деталь, 6 -диафрагма, 7 - второй светоделительный элемент, 8 - фокусирующая линза, 9 -фоточувствительный элемент, 10 - проекционный объектив, 11 - видеокамера, 12 - блок отображения изображения, 13 - блок обработки и визуализации.
На фиг. 2 представлен пример отображения графической информации, поступающей от односегментного фотоприемника, где 14 - кривая изменения сигнала, 15 - пороговый уровень.
На фиг. 3 представлен пример отображения графической информации, поступающей от позиционно чувствительного фотоприемника, где 16 - кривая изменения сигнала.
На фиг. 4 представлен пример варианта схемы интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей.
к
m
Заявляемый интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей (Фиг. 1) работает следующим образом. Оптическое излучение от точечного монохроматического источника оптического излучения 1 (например, одночастотного He-Ne лазера, снабженного короткофокусным микрообъективом и микродиафрагмой) направляется первым светоделительным элементом 2 к коллимирующему объективу 3. Пройдя коллимирующий объектив 3, оптическое излучение проходит эталонный оптический элемент 4 и поступает к контролируемой оптической детали 5. Плоскости эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности эталонного оптического элемента 4 (опорный световой пучок) и контролируемой оптической детали 5 (измерительный световой пучок)) снова проходит коллимирующий объектив 3, первый светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 6, которая установлена под углом α к оптической оси. Второй светоделительный элемент 7 может располагаться в любом месте между коллимирующим объективом 3 и проекционным объективом 10, в том числе возможен вариант, что второй светоделительный элемент 7 может быть выполнен совмещенным с диафрагмой 6. Рассмотрим вариант, когда диафрагма 6 совмещена со вторым светоделительным элементом 7, который выполнен, например, в виде оптической пластины. Непрозрачное покрытие диафрагмы 6 (например, пленка хрома толщиной 80-100 нм покрытая рассеивающим оптическое излучение слоем) нанесено на внешнюю по отношению проекционному объективу 10 сторону второго светоделительного элемента 7. В центральной части второго светоделительного элемента 7 (отверстие диафрагмы) диаметром L непрозрачное покрытие отсутствует. В этой области, например, может быть нанесено диэлектрическое светоделительное покрытие, а на вторую сторону нанесено просветляющее покрытие.
При правильной настройке интерферометра оптическое излучение, отраженное от эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 6, которое выполнено в непрозрачном покрытии. Второй светоделительный элемент 7, совмещенный с диафрагмой 6, направляет часть излучения на фокусирующую линзу 8 и фоточувствительный элемент 9, а оставшаяся (большая) часть оптического излучения направляется к проекционному объективу 10 и видеокамере 11. При правильной настройке интерферометра на фоточувствительной поверхности видеокамеры 11 формируется интерференционная картина, которая анализируется и рассматривается с помощью хотя бы одного блока отображения изображения 12. Сигнал от фоточувствительного элемента 9 поступает к хотя бы одному блоку обработки и визуализации 13, где затем обрабатывается и представляется в графическом и/или цифровом виде, удобном для проведения юстировки и определения углового положения эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5.
При изменении углового положения эталонного оптического элемента 4 и/или контролируемой оптической детали 5 световые пятна перемещаются по поверхности второго светоделительного элемента 7, совмещенного с диафрагмой 6. Диаметр светового пятна определяется формулой (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. 713 с.):
где λ - длина волны света, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива, d - диаметр эталонного оптического элемента 4 или контролируемой оптической детали 5.
Если λ=0.6328 мкм, f=1000 мм, d=100 мм, диаметр светового пятна W≈15 мкм
Фокусирующая линза 8 фокусирует отраженное оптическое излучение в плоскость фоточувствительного элемента 9. При перемещении световых пятен по поверхности фоточувствительного элемента формируется электрический сигнал, функционально связанный с координатой их положения.
Фоточувствительный элемент 9 может быть выполнен в виде одноэлементного фотоприемника. На фиг. 2 приведен пример отображения (кривая 14) электрического сигнала поступающего от одноэлементного фотоприемника. Когда световое пятно совмещено с центром фотоприемника, величина электрического сигнала - максимальна. Это соответствует точной юстировке эталонного оптического элемента 4 или контролируемой оптической детали 5. При смещении светового пятна, уровень сигнала уменьшается, например, до порогового уровня n=0.5 (линия 15 на фиг. 2).
s
угл
Если фоточувствительный элемент 9 выполнен в виде одноэлементного фотоприемника, например, фотодиода, с диаметром D, то угловая погрешность σ определения углового перемещения светового пятна может быть оценена по формуле:
где m=0.1-0.7 - постоянный коэффициент, V - коэффициент увеличения фокусирующей линзы 8, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива 3.
s
m
m
Диаметр фотоприемника 03 должен быть много меньше диаметра отверстия диафрагмы 6 с учетом увеличения: D<<V·L. Диаметр L отверстия диафрагмы выбирается для обеспечения фильтрации бликов и паразитного рассеянного оптического излучения:
где β - угловой размер фильтруемого оптического излучение, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива 3.
m
s
s
Если β=1 угл. мин, то при f=1000 мм, диаметр диафрагмы составляет L=0.6 мм, а диаметр фотоприемника при увеличении V=10 должен быть D<<6 мм, например, D=0.3 мм.
s
угл
-6
Из формулы (4) следует, что при n=0.3, D=0.3 мм, V=10, f=1000 мм угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен составит σ=9·10 или около 2 угл. сек.
Фоточувствительный элемент 9 выполненный в виде одноэлементного фотоприемника позволяет с быстро и с достаточно малой угловой погрешностью провести юстировку и оценку углового смещения контролируемых поверхностей. Однако одноэлементный фотоприемник не позволяет определить направление смещения контролируемых поверхностей, так как кривая 14 на фиг. 2 симметрична.
Фоточувствительный элемент 9 может быть также выполнен в виде позиционно чувствительного фотодетектора, двухсегментного фотодетектора, четырех сегментного фотодетектора или фоточувствительной матрицы. При использовании, например, двухсегментного фотодетектора, электрические сигналы с обоих сегментов вычитаются в блоке обработки и визуализации 13. На фиг. 3 приведен пример отображения (кривая 16) электрического сигнала, поступающего от двухсегментного фотодетектора. Когда световое пятно находится точно между сегментами фотодетектора, величина электрического сигнала равна нулю. Это соответствует точной юстировке эталонного оптического элемента или контролируемой оптической детали. При смещении светового пятна перпендикулярно линии раздела сегментов фотодетектора (координата x), уровень сигнала уменьшается или увеличивается, в зависимости от направления смещения светового пятна. При использовании четырехсегментного фотодетектора, аналогично получаются электрические сигналы по координате x и по координате y.
угл
При применении двух или четырех сегментных фотодетекторов угловая погрешность σ определения углового перемещения световых пятен определяется размером светового пятна, шумами фотодетектора и дискретностью преобразования аналогового электрического сигнала с фотодетектора в цифровой сигнал в блоке обработки и визуализации 13 и может быть оценена по формуле:
где s=1-5 - коэффициент, учитывающий шум фотодетектора и оптические помехи, N - количество «дискретов» преобразования аналогового сигнала в цифровой.
угл
-8
При W=15 мкм, s=2, f=1000 мм, N=1024 из выражения (6) следует, что угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен будет σ~6·10 или 0.01 угл. сек, а диапазон измерения углового перемещения световых пятен R=±5 угл. сек., как показано на фиг. 3.
Сравнивая выражения (1) и (2) и выражения (4) и (6) видно, что предлагаемое устройство обеспечивает существенное увеличение точности определения углового положения эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5.
На рис. 4, в качестве примера, приведен вариант схемы интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей. Оптическое излучение от точечного монохроматического источника оптического излучения 1 направляется первым светоделительным элементом 2 к коллимирующему объективу 3. Пройдя коллимирующий объектив 3, оптическое излучение проходит эталонный оптический элемент 4 и поступает к контролируемой оптической детали 5. Плоскости эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 снова проходит коллимирующий объектив 3, первый светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 6.
Далее, оптическое излучение проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 6. Второй светоделительный элемент 7, который расположен между диафрагмой и проекционным объективом, направляет часть излучения на фокусирующую линзу 8 и фоточувствительный элемент 9, а оставшаяся часть оптического излучения направляется к проекционному объективу 10 и видеокамере 11. Сигнал от фоточувствительного элемента 9 поступает к хотя бы одному блоку обработки и визуализации 13. В данном варианте оптической схемы, установка второго светоделительного элемента 7 за диафрагмой 6 обеспечивает эффективную фильтрацию бликов и паразитного рассеянного оптического излучения (см. выражение (5)), которые в этом случае не поступают к фоточувствительному элементу 9, уменьшая оптические помехи (коэффициент s).
Таким образом, в предлагаемом техническом решении обеспечивается повышении точности юстировки интерферометра, упрощение и увеличение скорости процесса юстировки, а также существенное увеличении точности определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали.