АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
AUTOCOLLIMATION DEVICE FOR CENTERING OPTICAL ELEMENTS

Изобретение относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использовано для измерения децентрировки оптических элементов, в том числе выполненных из материалов для инфракрасной (ИК) области спектра, непрозрачных в видимой области спектра, и асферических.
Центрировка линз видимого диапазона чаще всего производится при помощи автоколлимационного микроскопа Забелина [1], причем обе поверхности центрируются с одной стороны линзы, что в случае непрозрачных в видимом диапазоне ИК линз невозможно.
В настоящее время бурно развивается тепловизионная техника среднего и дальнего ИК диапазонов спектра. При создании ИК оптических систем центрировка оптических элементов (линз), выполненных из материалов, непрозрачных в видимой области спектра, представляет значительную проблему. Допуски на децентрировку линз в оптических системах ИК диапазона спектра весьма высоки, что связано с высоким показателем преломления материалов и большим относительным отверстием оптических систем этого спектрального диапазона.
Существуют устройства, работающие в видимом диапазоне спектра, для центрировки ИК линз с использованием дополнительных линз, прозрачных в видимой области спектра, см. [2] и [3]. Однако, они пригодны только для относительно малогабаритных ИК линз, поскольку требуют совмещения центра кривизны дополнительной линзы с центром качания центрировочного патрона, что для больших радиусов кривизны невозможно. Для центрировки необходимо изготовление дополнительной линзы.
Возможна центрировка ИК линз при помощи двух автоколлимационных микроскопов Забелина, расположенных с разных сторон линзы, причем один микроскоп работает через отверстие в шпинделе центрировочного станка. При этом на сторону оптического элемента, обращенную к шпинделю, налагаются ограничения по радиусу кривизны поверхности и апертуре оптического элемента. Относительное отверстие измерительной схемы в этом случае в основном определяется диаметром отверстия в шпинделе станка, а не относительным отверстием контролируемой поверхности и микроскопа. Относительное отверстие измерительной схемы имеет максимум при расположении автоколлимационной точки (центра кривизны) поверхности в середине канала в шпинделе, и уменьшается при отклонении в обе стороны. При этом относительное отверстие измерительной схемы обычно получается значительно меньше относительного отверстия микроскопа. Это приводит к размытию изображения марки, и, следовательно, к увеличению погрешности центрировки тыльной поверхности линзы.
В ИК области спектра гораздо чаще используются асферические поверхности линз, что в первую очередь связано с высоким относительным отверстием тепловизионных систем. Центрировка ИК линз с асферическими поверхностями при помощи автоколлимационных труб (типа автоколлимационного микроскопа Забелина) в принципе невозможна.
Также необходимо отметить, что определение децентрировки линз в собранных объективах ИК диапазона возможно только с помощью автоколлимационных приборов, работающих в рабочем или близком к рабочему спектральном диапазоне.
Поэтому актуальна задача создания устройства для центрировки оптических элементов, работающего в ИК диапазоне спектра.
Из-за отсутствия прямых прототипов устройства для центрировки оптических элементов ИК диапазона, нами по совокупности существенных признаков в качестве прототипа выбрано устройство видимого диапазона [см. Пат. USA №3.832.063, МПК G01B 09/02, 11/27, публ. 27.08.1974]. Устройство предназначено для центрировки оптических элементов в видимом диапазоне спектра, в том числе элементов с небольшой асферизацией поверхности.
Устройство, установленное на юстировочном столе, включает лазерный источник излучения, размещенные по ходу луча в прямом ходе устройство расщепления и сведения лучей в виде наклонной плоскопараллельной пластины, светоделитель, формирующий объектив, центрировочный патрон для юстировки контролируемого элемента, установленные в обратном ходе за формирующим объективом и светоделителем микрообъектив и матричное фотоприемное устройство, размещенное в плоскости изображения микрообъектива и связанное с ЭВМ, и второе матричное фотоприемное устройство, связанное с ЭВМ и расположенное в обратном ходе за формирующим объективом и светоделителем в плоскости падения пучка, отраженного от устройства расщепления и сведения лучей.
Устройство работает следующим образом. Когерентный пучок лазера при помощи устройства расщепления и сведения лучей в виде наклонной плоскопараллельной пластины разделяется на два, расположенных на расстоянии h. Эти два пучка с плоским волновым фронтом проходят светоделитель, преобразуются формирующим объективом в пучки со сферическим фронтом, фокусируются в фокальной плоскости формирующего объектива и совмещаются при помощи юстировочного стола с центром кривизны поверхности оптической детали, расположенной в центрировочном патроне. Сферические пучки излучения, отраженные от поверхности детали, проходят в обратном ходе формирующий объектив, преобразуются в плоские, затем проходят светоделитель и при помощи плоскопараллельной пластины соединяются в плоскости интерференции, образуя на фотоприемнике интерференционную картину бокового сдвига. При вращении детали в центрировочном патроне по величине и направлению перемещения интерференционных полос можно определить децентрировку поверхности оптического элемента.
Чувствительность устройства можно изменять путем изменения толщины и показателя преломления плоскопараллельной пластины или фокусного расстояния объектива.
Устройство также имеет автоколлимационный канал грубого измерения децентрировки, что удобно при предварительной настройке устройства и грубой оценке децентрировки, так как интерференционный канал при высокой чувствительности имеет маленький диапазон работы. При этом отраженные от поверхности оптического элемента сферические пучки в обратном ходе проходят формирующий объектив, преобразуются в плоские, отражаются от светоделителя и фокусируются микрообъективом в плоскость фотоприемника.
Интерференционный канал устройства имеет высокую чувствительность к децентрировке поверхности детали, однако может использоваться для высокоточной центрировки только наружных сферических поверхностей или поверхностей с малой асферизацией.
Реализации устройства ИК диапазона по такой схеме возможна, однако требует два ИК приемника на два канала и лазер с большой длиной когерентности, что обусловлено большой разностью хода в устройстве расщепления и сведения лучей.
Затраты на реализацию такой схемы в ИК области спектра значительно превышают затраты на схему в видимой области в связи с тем, что ИК приемники и ИК лазеры с высокой длиной когерентности имеют высокую цену.
Техническим эффектом заявляемого изобретения является повышение чувствительности определения децентрировки оптических элементов из ИК материалов, расширение области применения: контроль децентрировки поверхностей оптических элементов с большой асферизацией, контроль децентрировки тыльных поверхностей линз из ИК материалов, контроль децентрировки линз в ИК объективах, при одновременном снижении затрат.
Такой технический эффект достигнут, когда в автоколлимационном устройстве для центрировки оптических элементов, установленном на юстировочном столе и включающем лазер, размещенные на оптической оси по ходу луча в прямом ходе светоделитель и формирующий объектив, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, центрировочный патрон для юстировки контролируемого оптического элемента, микрообъектив, установленный в обратном ходе за формирующим объективом после светоделителя, и матричное фотоприемное устройство, размещенное в плоскости изображения микрообъектива и связанное с ЭВМ, новым является то, что за лазером установлен формирователь марки в виде точечного источника, выполненный из микрообъектива, микродиафрагмы и системы переноса изображения, светоделитель выполнен в виде зеркала с отверстием, а между микрообъективом и матричным фотоприемным устройством дополнительно установлен блок двойного изображения* (Блоки двойного изображения при смещении визируемой точки с оси объектива дают два изображения. Примеры блоков двойного изображения приведены, например, в справочнике «Оптические приборы в машиностроении», М, Машиностроение, 1974, страница 13), лазер выполнен многомодовым полупроводниковым, работающим в ИК диапазоне, при этом микрообъектив выполнен с возможностью линейного перемещения вдоль оптической оси.
Благодаря применению блока двойного изображения и возможности линейного перемещения микрообъектива вдоль оптической оси устройство можно использовать в двух режимах: автоколлимационном и интерференционном.
В автоколлимационном режиме микрообъектив располагают так, что на фотоприемном устройстве изображаются две автоколлимационные точки (автоколлимационная точка контролируемой поверхности сопрягается с помощью микрообъектива с плоскостью приемника). Благодаря применению блока двойного изображения устройство дает два изображения автоколлимационной точки (см. фиг. 2), причем чувствительность к децентрировке увеличивается в  раз.
При переходе в интерференционный режим совмещают изображения автоколлимационных точек, используя подвижки юстировочного стола автоколлимационного устройства. Затем перефокусируют микрообъектив так, что на его выходе образуется параллельный пучок (автоколлимационная точка контролируемой поверхности совмещается с фокальной точкой микрообъектива). При этом в параллельном пучке блок двойного изображения образует интерферометр реверсивного сдвига [4].
Благодаря тому, что в заявленном устройстве для определения децентрировки в качестве устройства сведения пучков применен блок двойного изображения, образующий интерферометр реверсивного сдвига, расширяется диапазон асферизации контролируемых поверхностей, появляется возможность центрировать тыльные поверхности ИК линз и контролировать децентрировку линз в собранном объективе.
Это связано с тем, что осесимметричные аберрации и осенесимметричные аберрации при отсутствии децентрировки асферических поверхностей или фронтов, отраженных от тыльной стороны линзы взаимно вычитаются, и на выходе интерферометра образуется «бесконечная» полоса (см. фиг. 4, 5).
Благодаря тому, что заявленное устройство для сведения интерферирующих пучков использует равноплечий интерферометр реверсивного сдвига, стало возможным применение полупроводникового ИК лазера с малой длиной когерентности.
Устройство в автоколлимационном и интерференционном режимах работает на один и тот же матричный фотоприемник (см. фиг. 1), что заметно снижает его стоимость.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема автоколлимационного устройства для центрировки оптических элементов, где ИК лазер 1, устройство 2 формирования точечного источника с микрообъективом 3, микродиафрагмой 4 и системой 5 переноса изображения, светоделитель 6, формирующий объектив 7, оптический элемент 8, центрировочный патрон 9, микрообъектив 10, блок 11 двойного изображения, матричное фотоприемное устройство 12, ЭВМ 13.
1
1
2
2
3
3
4
4
На фиг. 2 приведены изображения автоколлимационных точек на приемнике при работе в автоколлимационной режиме, где KΔ - радиус вращения автоколлимационных точек, X, Y, Х, Y, Х, Y, Х, Y - координаты изображений автоколлимационных точек, полученных при развороте центрировочного патрона на 180 угл. град.
На фиг. 3 приведены интерферограммы, полученные при центрировке сферической поверхности с помощью прототипа и предложенного устройства в интерференционном режиме: контроль центрировки сферического зеркала.
А - децентрировка Δ=0 мкм, прототип;
Б - децентрировка Δ=0 мкм, предложенное устройство;
В - децентрировка по одной координате Δ=100 мкм, прототип;
Г - децентрировка по одной координате Δ=100 мкм, предложенное устройство.
На фиг. 4 и 5 приведены интерферограммы, полученные при центрировке асферической поверхности с помощью прототипа и предложенного устройства.
Контроль центрировки асферического зеркала. Прототип (фиг. 4).
А - децентрировка по двум координатам Δ=0 мкм
Б - децентрировка по двум координатам Δ=100 мкм
Контроль центрировки асферического зеркала. Предложенное устройство (фиг. 5).
А - децентрировка по двум координатам Δ=0 мкм
Б - децентрировка по двум координатам Δ=100 мкм
Ограничения по величине асферизации в прототипе связаны с тем, что при зональном отражении сферического волнового фронта от несферической поверхности или тыльной поверхности оптического элемента отраженный фронт приобретает осесимметричные и осенесимметричные аберрации, зависящие от формы и угловой апертуры поверхностей. При боковом сдвиге этих фронтов присущая отраженному от внеосевой области зеркала пучку кома удваивается, и интерференционная картина имеет даже при отсутствии децентрировки высокую частоту и замкнутый характер, усложняющий расшифровку. В заявленном устройстве это явление отсутствует.
Заявленное устройство работает следующим образом.
При предварительной настройке и грубой оценке децентрировки устройство работает в режиме автоколлимационного прибора.
Пучок лучей лазера 1 фокусируется микрообъективом 3 на микродиафрагму 4, изображение которой переносится системой 5 в плоскость отверстия в светоделителе 6. Затем пучок проходит формирующий объектив 7 и фокусируется в точке, совмещенной при помощи юстировочного стола с центром кривизны поверхности контролируемого оптического элемента 8, установленного в центрировочном патроне 9. В обратном ходе отраженный от поверхности контролируемого оптического элемента пучок проходит объектив 7 и отражается от поверхности светоделителя 6. Автоколлимационное изображение микродиафрагмы 4 увеличивается микрообъективом 10, проходит блок двойного изображения Ни фокусируется на матричное фотоприемное устройство 12. Два изображения диафрагмы 4 передаются в память ЭВМ 13 для последующей обработки, или их биение оценивается визуально.
При вращении патрона 9 изображения автоколлимационных точек в плоскости фотоприемника описывают окружности (см. фиг. 2) диаметром
D = 2KΔ, где
K - увеличение микрообъектива,
Δ - децентрировка поверхности.
Чувствительность оценки децентрировки зависит от увеличения микрообъектива К и размера пикселя фотоприемного устройства. При увеличении К=10, размере пикселя Δ=30 мкм и визуальной оценке биения изображения автоколлимационной точки в 2 пикселя чувствительность определения децентрировки составляет порядка 3 мкм.
Следует отметить, что при визуальной оценке биения изображения при центрировке чувствительность сильно зависит от качества изображения автоколлимационной точки. При контроле несферической поверхности или тыльной поверхности линзы через первую поверхность автоколлимационное изображение искажено внесенными аберрациями, что приводит к расплыванию автоколлимационного изображения и уменьшению чувствительности определения децентрировки.
Расчеты приведены для наилучшего положения формирующего объектива на двойном фокусном расстоянии от марки (точечного источника).
Возможно уменьшение погрешности определения координат с использованием математической обработки кадров. Подходы к решению определения координат точечного объекта с использованием автоматизированной обработки известны. Обычно за значение координат точечного объекта принимают координату центра тяжести распределения в изображении точки.
Децентрировка определяется по формуле
где
1
1
2
2
3
3
4
4
Δ - децентрировка, X, Y, Х, Y, Х, Y, Х, Y - координаты двух изображений автоколлимационных точек, полученных при развороте центрировочного патрона на 180 угл. град.;
К - увеличение микрообъектива.
При увеличении К=10, размере пикселя А=30 мкм и оценке смещения автоколлимационного изображения точки в 0,5 пикселя погрешность определения координат автоколлимационной точки составляет порядка 1.5 мкм. Чувствительность к децентрировке составляет порядка 0,75 мкм.
При необходимости более точного определения децентрировки или центрировке асферической поверхности устройство переключают в интерференционный режим. Для этого микрообъектив 10 перефокусируют таким образом, что на его выходе образуется параллельный пучок. После прохождения параллельного пучка через блок 11 двойного изображения в плоскости матричного фотоприемника образуются интерференционные полосы реверсивного сдвига, частота которых зависит от биения автоколлимационной точки контролируемой поверхности.
Цена полосы интерферометра к смещению автоколлимационной точки зависит от длины волны излучения лазера и фокусного расстояния микрообъектива. При длине волны 2,2 мкм и фокусном расстоянии микрообъектива 20 мм цена полосы (чувствительность) составляет 1 мкм, причем цена полосы слабо зависит от размера пикселя фотоприемного устройства. При визуальной оценке децентрировки по интерференционной картине чувствительность устройства составляет порядка 2 мкм. Возможно увеличение чувствительности при расшифровке интерференционной картины до десятых долей микрона. Чувствительность устройства можно изменять изменением фокусного расстояния микрообъектива.
Переход к контролю в ИК области спектра позволяет контролировать децентрировку двух поверхностей ИК линз с приблизительно одинаковой точностью, в том числе линз с асферической поверхностью, установив устройство с одной стороны линзы, а также осуществлять контроль децентрировки линз в собранном объективе.
Применение в устройстве дешевого и мощного многомодового полупроводникового ИК лазера позволило использовать дешевый неохлаждаемый ИК приемник, что значительно сократило затраты на создание устройства.
Пример конкретного исполнения.
По схеме (см. фиг. 1) создан макет предложенного устройства.
В устройстве использован ИК полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны 2,24 мкм. Длина волны выбрана близкой к нижней границе пропускания германия (1,8 мкм), чтобы иметь возможность контролировать германиевые линзы и не потерять в чувствительности устройства. Формирующий объектив с фокусным расстоянием 400 мм и относительным отверстием 1:5 изготовлен из германия. В качестве матричного приемника использована пироэлектрическая камера с USB выходом фирмы Raytheon, США.
Блок двойного изображения выполнен в виде светоделительного кубика с приклеенными к двум граням призмами АР-90, причем ребра призм образуют угол 90 угл. град.
Предложенное устройство позволяет центрировать обе поверхности ИК линз со сферическими и асферическими поверхностями с высокой точностью, а также контролировать децентрировку линз в собранном объективе.
Чувствительность устройства к линейной децентрировке составила менее 1 мкм.
Предполагается использование предложенного автоколлимационного устройства для центрировки ИК оптических элементов (линз) в оправах, в том числе с асферическими поверхностями, при производстве линзовых и зеркально-линзовых объективов, также для контроля качества сборки объективов ИК диапазона спектра.
Литература
1. РТМ 3-216-72 «Объективы. Типовой технологический процесс центрирования линз в оправе методом автоколлимации».
2. Хитрик А.С., Быстрое В.А., Крынин Л.И., Стырикович Т.В., Способ сборки объективов, работающих в инфракрасной области спектра // патент РФ №2355002, 2009.
3. Дьякова И.И., Способ центрирования в оправе линз, работающих в инфракрасной области спектра // патент РФ №2634078, 2017.
4. Оптический производственный контроль/ Под ред. Д. Малакары; - М. Машиностроение, 1985 - 400 с.