Фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей

 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПО- ВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, содержащий лазерный источник света, распО7(оженные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему , первый светоделитель выполненный в виде плоскопараллельной , пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник , образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения , подключенный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов,и блок обработки сигналов , подключенный к выходу блока опроса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, он снабжен третьим светоделителем, выполненным в виде куб-призмы и расположенным между проекционным объективом и первым фотоприемником, выполненным в виде фотодиодной матрицы, второй фотоприемник идентичен первому и уста новлен на пути излучения за третьим светоделителем в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью первого фотоприемника, второй светоделитель идентичен третьему светрдели- { телю, узел сдвига выполнен в виде i (Л двух сферических зеркал, радиусы кривизнЕЛ которых отличны друг от друга, сферические зеркала установлены на пути излучения за вторым светоделителем и ориентированы так, что их фокусы оптически сопряжены , модулятор выполнен в виде двух идентичных пьеэокерамических элементов, каждый из которых механически скреплен с одним из сферических зеркал, генератор опорных напряOi жений выполнен с двумя противофазны-г tsD ми выходами, каждый из которых элект Сл рически связан с входом одного из пьезокерамических элементов, блок опроса выполнен с синхронизирующим входом, электронная система снабжесо на с1Мплитудным ограничителем f включенным между генератором опорного напряжения и модулятором, а ампли тудный ограничитель выполнен с управляющим выходом, который электрически связан с синхронизирующим входом блока опроса.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(50 G 01 В 21 02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

\ (21) 3493487/18-28 (22) 24. 09. 82 (46) 23.12.83. Бюл. М 47 (72) И.П. Араев, В.И. Воронина, В.A.Ãoðøêoâ, Е.И.Лозбенев, В.П.Пушечников, В.С.Кряхтунов, О.Н.Фомин, P.М.Галиулин,С.Н.Горлов, А.В.Загуляев, Ю.A.Êóýíåöoâ и В.E.Ãóçìàí (53) 531.7 (088..8) (5g) 1. Bruning 3. Н. et al .

Digital wave-front measuring

enter fегоmeter for testing optical

surfaces and lenses. Appl.Opt.,1974, v. 13, М 11, р. 2693-2703.

2:. Kenneth D. Stumpf, Real

time interfегоmeter.— Optical

Engineering, 1979, v. 18, М 6, р. 648-653 (прототип); (54)(57) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, содержащий лазерный источник света, расположенные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной.пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения, подключенный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов, и блок обработки сиг„„SU„„1062519 А налов, подключенный к выходу блока опроса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, он снабжен третьим светоделителем, выполненным в виде куб-призмы и расположенным между проекционным объективом и первым фотоприемником, выполненным в виде фотодиодной матрицы, второй фотоприемник идентичен первому и установлен на пути излучения эа третьим светоделителем в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью первого фотоприемника, второй светоделитель идентичен третьему светоделителю, узел сдвига выполнен в виде двух сферических зеркал, радиусы кривизны которых отличны друг от друга, сферические зеркала уста- С новлены на пути излучения за вторым светоделителем и ориентирова- ф ны так, что их фокусы оптически сопряжены, модулятор выполнен в виде двух идентичных пьеэокерамических элементов, каждый иэ которых механически скреплен с одним из сферичес- () ких зеркал, генератор опорных напряжений выполнен с двумя противофаэны-. ми выходами, каждый из которых элект. ) рически связан с входом одного из пьеэокерамических элементов, блок опроса выполнен с синхронизирующим входом, электронная система снабжена амплитудным ограничителем включенным между генератором опорного напряжения и модулятором, а амплитудный ограничитель выполнен с управ- ю ляющим выходом, который электрически связан с синхронизирующим входом блока опроса.

1062519

Недостатком интерферометра являет- 5

45 ная тем, что для построения топогра-, 50

Фической карты контрОлируемой ноду генератором опорного напряжения, и модулятором, а амплитудный ..ограничитель выполнен с управляющим вы60

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, пред- назначенной для контроля формы опти ческих поверхностей, и может быть использовано в производстве, занятом изготовлением и эксплуатацией ,высококачественных оптических систем, в roM числе и крупногабаритных.

Известен фотоэлектрический интерферометр,,построенный по схеме

Тваймана-Грина и содержащий генератор опорного напряжения, модулятор, фотоприемники, блок опроса фотоприемников и блок обработки сигналов 1). ся низкая точность контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей, обусловленная высокой чувствительностью интерферометра к вибрациям, а также сравнительно большим временем съема измерительной информации..

Наиболее близким по техническОй сущности и решаемой задаче к изобретению является фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей, содержащий лазерный источник света, расположенные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной

- пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем . второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения, подключ ченный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов, и блок обработки сигналов, подключенный к выходу блока опроса1.2 .

Недостатком известного интерферометра является сравнительно низкая точность контроля, обусловленверхности необходимо обработать две интерференционные картины с взаимно перпендикулярным направлением боко"

BoZ 0 CQBH1"cL BOJ1HDBHX фронтов следующей математической увязкой результатов измерений, а также тем, что опорный канал интерферометра вы полнен независимым от рабочего канала, в связи с чем . отсутствует возможность компенсации погрешностей измерений, вызванных воздействием внешних дестабилиэующих факторов.

Цель изобретения — повышение точности конЬрЬля.

Поставленная цель достигается тем, что фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей, содержащий лазерный источник света, расположенные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения,подключенный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов, и блок обработки сигналов, подключенный к выходу блока опроса, снабжен третьим светоделителем,выполненным в виде куб-призмы и расположенным между проекционным объективом и первым фотоприемником, выполненным в виде фотодиодной матрицы, второй фотоприемник,идентичен первому и установлен на пути излучения за третьим светоделителем в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью лервого фотоприемника, второй светоделитель идентичен третьему, узел сдвига выполнен в виде двух сферических зеркал,радиусы кривизны которых отличны друг от друга, сферические зеркала установлены на пути излучения за вторым светоделителем и ориентированы так, что их фокусы. оптически сопряжены, модулятор выполнен B виде двух идентичных пьезокерамических элементов, каждый из которых механически скреплен с одним из сферических зеркал, генератор опорных напряжений выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых элекгрически связан с входом одного из пьезокерамических элементов, блок опроса выполнен с синхрониэирующ ям входом, электронная система снабжена амплитудным ограничителем, включенным меж" ходом, который электрически связан с синхрониэирующим входом блока опро- са.

На чертеже показана принципиаль» ная схема одного из возможных вари» антов фотоэлектрического интерферометра для контроля Формы поверхнос.-. ти оптических деталей. .Интерферометр содержит лазерный источник 1 света, телескопическую

1062519 систему 2, светоделитель З,.выполненный в виде плоскопараллельной пластины, объектив 4, светодели - ... тель 5,выполненный в виде куб-призмы, узел сдвига, выполненный в виде двух сферических зеркал 6 и 7, 5 проекционный объектив 8, светоделитель 9, выполненный в виде куб-приз мы, фотоприемники 10 и ll, выполненные в виде двух идентичных фотодиодных матриц, и электронную систему, 0 состоящую из модулятора выполненного в внде двух идентичных пьезокерамических элементов 12 и 13, генера- . тора 14 опорного напряжения, амплитудного ограничителя 15, блока 16 опроса и блока 17 обработки сигналов.

Интерферометр ориентируется так, что центр кривизны контролируемой поверхности 19 совпадает с фокусом объектива 4.

Телескопическая система 2, светоделитель 3 и объектив 4 расположе- . ны по ходу луча лазерного источника 1, 25

Светоделитель 5 установлен в обратном ходе лучей за светоделителем 3.

Сферические зеркала 6 и 7, образующие узел сдвига, выполнены с отличными друг от друга радиусами кривив- З0 ны, установлены на пути излучения за светоделителем 5.и ориентированы так, что их фокусы оптически сопряжены.

Проекционный объектив 8, светоде- З5 ,литель 9 и фотоприемник 10, образующий рабочий канал, установлены последовательно в обратном ходе лучей за светоделителем 5. Фотоприемник 11, образующий опорный канал, установлен 40 на пути излучения за светоделителем 9 в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствиг. тельной поверхностью фотоприемника 45

10, образующего рабочий канал.

Пьезокерамический элемент 12 мо . дулятора механически скреплен со сферическим зеркалом 6, а пьеэонерамический элемент 13 модулятора — 50 со сферическим зеркалом 7.

Генератор 14 опорного напряжения выполнен с двумя противофазными выходами, один из которых элект-. рически связан через амплитудный ограничитель 15 с входом пьезокерамического элемента 12 модулятора, . а второй — с входом пьезокерамического элемента 13 модулятора.

Блок 16 опроса подключен к выходам фотоприемников 10 и 11 рабоче- 60 го и опорного каналов соответственно,,и выполнен с синхрониэирующим вхо дом.

Амплитудный ограничитель 15 выполнен с управляющим входом, кото- 65 рый электрически связан с синхрони-; эирующим входом блока 16 опроса.

Блок 17 обработки сигналов подключен к выходу блока 16 опроса.

Интерферометр работает следующим образом.

Излучение источника 1 проходит телескопическую систему 2, светоделитель 3 и поступает в объектив 4, который преобразует его в сферический волновой фронт, распространяющийся по нормали к контролируемой поверхности 18. При отражении от контроли- руемой поверхности 18 волновой фронт деформируется в соответствии с ошибками ее формы,а следовательно, содер.-. жит информацию о качестве контролируемой поверхности 18.

Отраженный от контролируемой поверхности 18 волновой фронт проходит объектив 4 в обратном направлении и, после отражения от светоделителя 3, поступает в светоделитель .5, который. разделяет по .амплитуде на две части и направляет одну иэ них на сфери ческое зеркало 6, а другую — на сферическое зеркало 7.

После отражения от сферических зеркал 6 и 7 обе части волнового фронта проходят светоделитель 5 в обратном направлении, интерферируют;и собираются в точке совмещенных фокусов сферических зеркал 6 и 7. Благодаря тому, что радиусы кривизны сферичес-. ких зеркал б и 7 отличаются друг от друга, интерферирующие волновые фронты отличаются по апертуре, т.е. имеет место интерференция радиального сдвига. Затем интерферирующие волновые фронты проходят проекционный объектив 8, а светоделитель 9 направляет их на фотоприемник 10 рабочего канала и фотоприемник 11 опорного канала. Проекционный объектив 8 осуществляет оптическое сопряжение контролируемой поверхности 18 со светочувствительными поверхностями фотодиодных матриц..Переменное напряжение с выходов. генератора 3,4 через амплитудный ограничитель 15 ноступает на входы пьеэокерамических элементов 12 и 13, которые приводят сферические зеркала 6 и 7 в возвратно-поступательное движение с частотой, равной частоте напряжения, вырабатываемого генератором 14. Поскольку напряжения, подаваемые на" входы пьезокерамических элементов 12 и 13,.противофазны, то возвратнопоступательное движение сферических зеркал 6 и 7 осуществляется также в противофазе и вызывает периодичес) кое изменение разности хода интерферирующих лучей, что приводит к aosвратно-поступательному смещению интерференционных полос в плоскости регистрации, т.е. осуществляется модуляция интерференционной картины.

1062519

Фотодиодные матрицы работают в режиме прямого детектирования сигнала, т.е. закон изменения электрических сигналов на выходах их элементов повторяет закон изменения освещенности на светочувствительных пло- 5 щадках этих элементов ° При этом соотношение начальных разностей фаз электрических сигналов с выходов элементов одной из фотодиодных матриц определяется характером распределе- 10 ния освещенности в пределах светочувствительной поверхности всей матрицы, т.е. видом регистрируемой интерференционной картины.

Амплитудный ограничитель 15 срезает нелинейные участки переменных напряжений, питающих пьезокерамические элементы 12 и 13. В результате .снижается коэффициент гармоник элект рических сигналов с фотодиодных мат-" риц, что позволяет осуществлять их регистрацию и обработку с высокой точностью, а также улучшаются динамические характеристики модулятора, а следовательно, и всего интер ферометра, за счет снижения интенсивности переходных электро-механк ческих процессов, возникающих в пЬезокерамических элементах 12 и 13, при переходе питающих напряжений через экстремальные точки.

Кроме того, амплитудный ограничитель 15 формирует на своем управляющем выходе сигналы, соответствующие началу и концу линейных участков напряжений, питающих пьезокерамичесэ З кие элементы 12 и "13. Сигналы с управляющего выхода амплитудного ограничителя 15 поступают на синхронизирующий вход блока 16 и управляют его работой: по первому сигналу 4Р блок 16 начинает опрос фотодиодных матриц, а по второму сигналу прекращает опрос. Блок 16 осуществляет построчный опрос всех элементов матрицы фотоприемника 10 рабочего канала и многократный опрос с той же частотой одного иэ элементов, выбранного в качестве опорного, матрицы фотоприемника 11 опорного канала, т.е. одновременно с опросом какого-либо элемента матрицы фотоприемника 10 опрашивается опорный элемент матрицы фотоприемника 11.. Полученные сигналы поступают в блок 17 обработки сигналов, который осуществляет сравнение начальной фазы сигнала какого-либо элемента матрицы фотоприемника 10 с начальной фазой соответствующего ему сигнала опорного элемента матрицы фотоприемника 11, последующую математическую обработку результатов измерений и построение топографической карты контролируемой поверхности 18.

Использование в Качестве фотоприемника опорного канала фотодиодной матрицы фотоприемника 11, идентичной фотодиодной матрице фотоприемника 10 рабочего канала, позволяет выбрать положение опорного элемента матрицы фотоприемника 11 в любой точке выходного зрачка контро.лируемой поверхности 18 независимо ,от конфигурации зрачка (круг, коль-,; цо, квадрат и т.д.), а также проводить серии измерений при различных положениях опорного элемента в пределах выходного зрачка с последующим усреднением результатов.

Повышение точности контроля формы поверхности оптических деталей при использовании данного интерферометра достигается за счет снабжения его светоделителем и амплитудным ограничителем при соответствующем выполнении остальных элементов.

1062519 Составитель Е.Глазкова

Редактор И.Николайчук Техред И.Метелева Корректор С.шекмар

Заказ 10204/41 Тираж 602 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Х-35, Раушская наб;, д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4