Способ контроля прозрачных оптических деталей

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения радиусов кривизны и толщины прозрачных оптических деталей при их производстве и эксплуатации. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей контроля параметров. Для достижения поставленной цели нужно установить нижнюю частотную границу дифракции Брэгга падающего излучения на акустооптической ячейке (АОЯ), а также установить эталонное сферическое зеркало, юстируя его до достижения дифракции Брэгга на нижней частотной границе пучка, отраженного от эталонного зеркала. Таким же образом определят частоту дифракции Брэгга для пучка , отраженного от второго участка эталонного зеркала. Затем вместо эталона устанавливают контролируемую деталь и определяют для нее частоты дифракции Брэгга в АОЯ пучков, отраженных от участков детали. По полученным значениям частот дифракции Брэгга при известном значении угла между направлением падающего излучения и нормалью к направлению распространения звукового столба находят радиус кривизны и толщину контролируемой детали.3 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С)

С) о

» (21) 4874263/28 (22) 07.09.90 (46) 07,03.93. Бюл, М 9 (71) Производственное объединение "Завод

Арсенал" (72) Л,И.Даденко, В.Н.Поляков, В,К.Резунов и Ю.Б.Пасько (56) Авторское свидетельство СССР

N 557621, кл. G 01 В 11/24, 1978.

Авторское свидетельство СССР

¹ 11445566777766, кл. G 01 B 11/26, 1987. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЗРАЧНЫХ

ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения радиусов кривизны и толщины прозрачных оптических деталей при их производстве и эксплуатации, Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей контроля параметров. Для достижения

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения кривизны поверхностей оптических деталей.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины и снижение относительной погрешности измерений параметров оптических деталей путем калибровки.

На фиг.1 представлен общий случай хода отраженного и преломленного пучков после отражения от поверхностей прозрачной контролируемой детали; на фиг.2 -- ход пучка излучения в плоскопараллельной пластине; на фиг.3 — функциональная схема реализации предлагаемого способа... Ж 1800261 А1 поставленной цели нужно установить нижнюю частотную границу дифракции Брэгга падающего излучения на акустооптической ячейке (АОЯ), а также установить эталонное сферическое зеркало, юстируя его до достижения дифракции Брэгга на нижней частотной границе пучка, отраженного от эталонного зеркала. Таким же образом определят частоту дифракции Брэгга для пучка, отраженного от второго участка эталонного зеркала. Затем вместо эталона устанавливают контролируемую деталь и определяют для нее частоты дифракции

Брэгга в АОЯ пучков, отраженных от участков детали. По полученным значениям частот дифракции Брэгга при известном значении угла между направлением падающего излучения и нормалью к направлению распространения звукового столба находят радиус кривизны и толщину контролируемой детали. 3 ил.

Схема устройства, поясняющая способ и показанная на фиг.3, содержит источник 1 монохроматического излучения и последовательно расположенные по направлению излучения плоскопараллельную пластину 2, вводимую при необходимости смещения падающего пучка, контролируемую или эталонную сферическую деталь 3, акустооптическую ячейку 4, расположенную на пути отраженных от детали пучков. Далее по направлению дифрагированных пучков расположена фокусирующая линза 5 и фотоэлектрическое устройство 6 регистрации сигнала, Кроме того, схема содержит перестраиваемый по частоте генератор 7 электрических сигналов.

1800261

i = О, n — для отраженного от внешней и внутренней поверхностей (преломленного) пучка соответственно.

j = 1, 2 — для 1-ro и 2-го падающего

5 пучков соответственно; ч — скорость распространения акустических колебаний в материале звукопровода с показателем преломления и;

fi1 — частота колебаний, подаваемых на акустооптическую ячейку, которая соответствует режиму дифракции Брэгга отраженного от i-й поверхности детали j-го падающего пучка.

Так как измерение расстояния d между

15 двумя пучками падающего излучения с высокой степенью точности представляет значительные трудности, целесообразно производить измерения смещения одного пучка от фиксированного положения d1 до положения d2.

Смещение (d2 — d 1) можно осуществить с помощью введения плоскопараллельной пластины (фиг.3), как в способе-прототипе.

Тогда, согласно фиг.1, выражение для опре25 деления радиуса кривизны контролируемой поверхности будет иметь вид:

d2 — d1 (6)

sin а1 — sin a2 где а1 и аг — углы падения пучков на контро30 лируемую деталь при отсутствии и наличии плоскопараллельной пластины соответственно, После преобразований с учетом (2), (3) и (4):

35 12 — d1

sin 4 (p)2 фо1 ) cos (— 2 po + „(pp2 + ф01 ) )

1 1 (7) или с учетом (3), (4) и (5);

d2 d1 (8) sin — (arcsin А fp2 — arcsin А 1о1 ) cos (— po + — (arcsin А fp2 + агсз(п А 1о1 ) 3

1 1 1

4 2 4

45 (3) (4) (5) 50 2(— 5001) tg (тп1 ф31 ) + arcsin (sin

1 1

2 2

o+ 1 п где 91 —. угол между направлением пучка падающего на ячейку излучения и нормалью к направлению распространения акустических колебаний в ячейке; 55

+2sin 2 (p1 (Pp1)) .г1 или с учетом (5): (9) Акустооптическая ячейка 4 изготовлена, например, из монокристалла парателлурита определенной ориентации с пьезопреобразователем для заданного диапазона частот.

При этом выход перестраиваемого по частоте генератора электрических сигналов 7 подключен к акустооптической ячейке 4.

Способ осуществляется следующим образом, В случае прозрачной сферической детали из оптического материала с показателем преломления п, на которую направлены параллельно друг другу два пучка монохроматического излучения, для каждого из пучков возникают два отраженных от контролируемой детали пучка 1, 1* для первого и 2, 2*— для второго падающего пучка (фиг.1, 2). При этом если не ограничиваться затрудняющими дифференцирование пучков условиями параксиальной оптики, как это имеет место в прототипе, т,е. в общем случае при отсутствии любых ограничений величины угла падения а пучка на контролируемую деталь из геометрических соображений радиус кривизны сферической детали будет определяться выражением (фиг.1)

sin а (1) где а — угол между направлением падающего излучения и нормалью к контролируемой поверхности в точке падения;

d — расстояние между осями падающих пучков, = — 2(Ð +Роо)

1 (2) где pо — угол между осью падающего пучка и нормалью к направлению распространения акустических колебаний в акустооптической ячейке;

pi-,o — угол, соответствующий режиму дифракции Брэгга отраженного от внешней поверхности детали первого падающего пучка.

В общем случае пА

sin pj = n sin 9j =

2V

A= n

Л р>= 3rcsin Afij, При необходимости контроля толщины

h прозрачной детали, в частности, сферической, значение h в заданной точке определяется с учетом геометрии хода лучей (фиг.1) и соотношений (1) — (4).

При этом соотношение для значения толщины будет иметь вид:

1800261

sin — (arcsin А f» — arcsin А fo> )

h=R(tg — (arcsin А f» — arcsin А fo> ) + arcsin — (sin — (po + arcsin A 101) )

1 1 . 1

2 п 2

+ 2 sin — (arcsin A f» arcsin А о ) ). г1 (10) sin 2 (arcsin А тог arcsin А т01 ) cos (2 фо + 4 (arcsin A тог + arcsin A foi ) )

1 1 1

R— (15) -Ro

1 1

sin — (arcsin А for — arcsin А 101 ) cos (— rpo + — (arcsin А аког + arcsin А f01 ) )

4 2 4 ность измерения смещения определяется выражением (12) бг -d где I — смещение пучка после прохождения через плоскопараллельную пластину без учета ее клиновидности.

Клиновидность плоскопараллельной пластины измерялась, например, с помощью гониометра или теодолита с погрешностью не менее 1,5" (см. теодолит Т1А, паспорт), Тогда при обеспечении смещения

d <1 мм и реальных значениях L и I, т,е. L =

10 см, I = 0,7 мм, в соответствии с (12):

Значения фэ1, фп1, аког определяются по значениям экспериментально измеренных частот акустических колебаний акустооптической ячейки, подаваемых от перестраиваемого по частоте генератора

l акустических колебаний fo1 f», fo2 соответственно, согласно условию дифракции Брэгга (3).

Согласно прототипу, с учетом приближений параксиальной оптики радиус кривизны контролируемой детали определяется выражением (5) с учетом (4), т.е.

2dV хг6:fr ()

11 где 11 и fz — частоты, соответствующие дифракции Брэгга отраженных от контролируемой поверхности 1 и 2 общих пучков соответственно.

Измерение расстояния d между осями пучков, как указывалось выше, сводится к измерению смещения d = бг - d1 плоскопараллельной пластины, вводимой под заданным углом к направлению излучения смещения пучка. При этом в общем случае смещение бг - d> зависит от толщины плоскопараллельной пластины d, угла между нормалью к входной грани пластины и направлением падающего пучка а, клиновидности пластины д и расстояния от пластины до контролируемой детали L (см. фиг.2). При этом относительная погреш— 1,4 10, (13)

При этом при изменении размеров плоскопараллельной пластины, расстояния 1, 5 угла падения излучения на пластину а в реальных пределах и значении d < 1 мм значение соотношения остается практически неизменным. Тогда с учетом (11) вследствие низкой точности измерения смещения падающих пучков d относительная погрешность измерения радиуса кривизны детали

h,R снижается до значений не выше, чем

ЛК )14 10 3, (14)

B данном способе с целью повышения точности контроля параметров оптических деталей измерение бг-d> производится косвенным методом с помощью эталонной сферы радиуса R<. B этом случае в соответствии с формулой (6) расстояние бг - d>, обусловленное введением плоскопараллельной пластины для смещения падающего пучка, определяется по известному радиусу эталонной сферы R<>. Причем радиус эталонной сферы можно измерить с погрешностью не хуже < 10

ЛВо -4 о

При наличии эталонной сферы радиуса

R с учетом формул (2) — (4), (5), (6), (8) радиус кривизны контролируемой детали будет определяться выражением где 101, for — частоты дифракции Брэгга падающих пучков 1 и 2, отраженных от внеш35 ней поверхности эталонной детали, Для удобства контроля с учетом того, что конкретная акустооптическая ячейка имеет определенный диапазон углов

Л Иь и частот Af ь, соответствующих режи1

40 му дифракции Брэгга (например, для акустооптической ячейки на основе ТеОг

ЛИь = 3 —:4О, hfi, =80 мГц), целесообразно для полного использования диапазона выбирать начальную частоту fp (угол p)< )

45 вблизи границы соответствующего диапазона ячейки. Причем значение такой выби1800261 раемой в зависимости от диапазона измеряемых радиусов частоты f01(угла у 01) целесообразно оставить постоянным для заданной серии измерений, как при установке эталонной детали, так и контролируемых деталей (ф1). Тогдари = po1, т.е. при использовании для контроля деталей эталонной сферы радиуса Rp, кроме измерений по способу-прототипу, необходимо дополнительно произвести измерение угла у02 . При этом погрешность измерения угла р02, как и других углов Брэгга, определяется погрешностью измерения частоты акустических колебаний fo2, соответствующих соотношению (3), что для современных приборов, как указывалось выше, не превышает

Af/f =10

В этом случае измерение смещения б2d1, являющегося основным источником погрешности определения параметров оптических деталей Ilo способу-прототипу (= 1,4-10 ), сводится к измере-з нию частоты fo2 (угла po2 ) при наличии эталонной детали радиусом кривизны Ro, измеряемым с относительной погрешноЛRp -а стью не хуже 10 . Тогда по пред р лагаемому способу контроля параметров оптических деталей в соответствии с теорией оценок погрешностей измерений относительная погрешность измерения радиуса кривизны контролируемой сферидВ ческой поверхности равна: о R д R д В дц dR óúã

R 2 + 2 + 2 д Р2 — — - - + Д R гггг )— (16)

DRRp где — относительная погрешность измерения радиуса кривизны, обусловленная погрешностью измерения радиуса эталонной сферы; дВуЪг дйЯг

R R R R — относительные погрешности измерения радиуса кривизны детали, обусловленные погрешностью измерения углов (частот)

Брэгга р01 (f01). f02(f02).рц (f02) соответственно.

Как было показано выше, дй/R < 10 относительные погрешности dR г hR óúã

R R R ся погрешностями измерения соответствующих частот — 101, fo2, fo2. При этом стабильность частоты современных генераторов ВЧ

55 сигналов (Чб-31 и др.) и относительная погрешность измерения частоты частотомерами (Ч3-54 и др.) не ниже =10 . Тогда

-6

f с учетом расчетов конкретных значений R в соответствии с формулой (16) относительные погрешности определения углов Брэгга ро1, ро2, рц, обусловленные погрешностями измерения частот, соответствующих режиму дифракции Брэгга падающего пучка на решетке акустооптической ячейки (д Наг BRВг BНRяг

) не превышают (0,3- 2,3) 10 .

Как показывают расчеты, погрешность определения угла ро (между осью падающего пучка и нормалью к входной грани акустооптической ячейки) с учетом неподвижности закрепления источника падающего излучения и акустооптической ячейки друг относительно друга при выборе ро достаточно большим (уЪ=70 ) не оказывает существенного влияния на погрешность определения параметров контролируемой детали, в частности на величину радиуса, вплоть до достижения абсолютного значения погрешности д р;0.5", Измерение ро с абсолютной погрешностью др, 0,5, например, с помощью теодолита и подержание ро в соответствующих пределах не представляет затруднений. Относительная погрешность измерения радиуса кривизны контролируемой детали, обусловленная установкой и поддержанием угла ро, по формуле (16) с учетом вышеуказанных значений угла о,и абсолютной погрешности не превышает д R

pp /R = 5,7 10 . Тогда значение д Я/R, вы-7 численное по формуле (16) с учетом относительных погрешностей измерений линейных и угловых величин, равно дК -4

= 10 . При этом учтем, что при измерении радиуса кривизны по способу-прототипу относительная погрешность измерения радиуса кривизны с учетом погрешности, вносимой по измерении расстояния между осями падающих пучков, не ниже (р — )др гт 1,4 1 О, тогда как измерение дР -з радиуса кривизны контролируемой детали предлагаемым способом позволяет снизить погрешность измерений почти на порядок.

В качестве примера рассмотрим измерение радиуса кривизны R и толщины h прозрачной сферической кварцевой (п =

1,45702) детали на стенде, приведенном на фиг.3, Акустооптическая ячейка была изготовлена из монокристалла парателлурита.

Тогда п = 2,26, А = 0,633 10 м, 1800261

V= 0,615.10 мlс, А = 1,163 10 с.

Рабочий диапазон частот:

1мин = 40 мГц; смаке = 105 мГц о Бп п= arcsin А fm n = 2,67 5 о фбп ах= агс$1п А fmax = 7,01

Ьфь= 4,34о, Пусть Ъ = 70о, po> = 2,8о, d = 0,7мм.

Точное значение измеряемой величины

R = 30,0000 мм, тогда рог = 5,67425 аког, =6,15871 о.

Толщина плоскопараллельной пластины из стекла К-8 (и = 1,5146), а = 3 мм, 1 = 10 см, = 1,5.

Как указывалось выше б.+

1,4 10

-з

Радиус эталонной сферы Ro = 35 мм, 20 — =10

Ro

Тогда, согласно описанию изобретения, измерение hd = бг - d> сводится к измерению угла рц . Если уго.л ввода плоскоо параллельной пластины а = 34, то случайная погрешность воспроизведения d2- d1, обусловленная флуктуациями угла падения да1 (из-за неплоскостности контактирующего участка (и тепловой 0 аберрацией) из-за температурного дрейфа показателя преломления пластины и ее толщины) равна:

При вышеуказанных условиях рог

=5,67425о.

Тогда д R Ко = 900 10 мм г -8 г дR рц =476110 мм д R ри=34,69 10 мм д R po =1,0410 мм дR pо=00310 мм д R = 983,37 10 мм д R =31410ç ММ2

55 () =8,7 10 град

«1г 1 35

При использовании в качестве генератора акустических колебаний ГЧ-158,46 — 31

< 10 . Тогда абсолютная погрешность

Л

1 оп ределения угла д р> будет:

Opi =arcsin (Адтц) 6,66 10 угл. град. — 5 угол ро Ьудем устанавливать с помощью теодолита с абсолютной погрешностью не более 1 угл.син,; д ро= 1 = 1,67 10 угл.град. 45

Абсолютная погрешность измерения радиуса кривизны

0R2=DR +д,г +д г „+д г

Т,е. относительная погрешность измерений радиуса кривизны будет: д Я/R = 1,05 10

Схема работает следующим образом.

Монохроматическое излучение от источника 1 с помощью плоскопараллельной пластины 2 разделяет на два параллельных пучка, последовательно направленных на контролируемую деталь 3. Отраженные от контролируемой поверхности детали 3 пучки дифрагируют на решетке, образованной акустическими колебаниями в ячейке, возбуждаемыми перестраиваемым по частоте генератором 7 электрических сигналов.

Затем дифрагированный световой поток фокусируют линзой 5 и регистрируют устройством 6, Изменяя частоту акустических колебаний перестраиваемым генератором электрических сигналов, добиваются режима дифракции Брэгга последовательно для каждого из отраженных контролируемой (или эталонной) деталью 3 пучков. По значениям частот акустических колебаний соответствующих дифракций Брэгга каждого из отраженных пучков, и расстоянию между осями падающих пучков с учетом соотношений (7) и (8) определяют радиус кривизны контролируемой детали, Перед установкой контролируемой детали с целью повышения точности определения смещения d устанавливают эталонную деталь радиусом кривизны Ro При известном Ro по формулам (7) и (8) определяют смещение d. При этом точность измерений радиуса кривизны с учетом точности измерения смещения d, как было показано выше, возрастает примерно на порядок по сравнению с прототипом. Это обеспечивается за счет повышения точности измерений смещения d примерно на порядок при введении эталонной сферы, При этом с учетом того, что измеряемым параметром является частота, процессы автоматизации измерения которой достаточно отработаны, вышеуказанный процесс контроля можно автоматизировать в отличие от громоздких и трудоемких автоколлимационных методов.

Формула изобретения

Способ контроля прозрачных оптических деталей, заключающийся в том, что направляют монохроматическое излучение на два участка оптической детали, устанавливают последовательно по ходу излучения акустооптическую ячейку и по значениям частот акустических колебаний, соответствующих дифракции Брэгга на звуковом столбе акустооптической ячейки, отраженных от детали пучков, определяют параметры детали, отличающийся тем, что, с целью

1800261

12 расширения функциональных возможностей за счет измерения толщины детали и снижения погрешности измерений путем калибровки, устанавливают нижнюю частотную границу fo1 дифракции Брэгга излучения на акустической ячейке, в монохроматическом потоке устанавливают сферическое зеркало радиуса Ro, юстируют его до достижения дифракции Брэгга на частоте fo> для пучка, отраженного от участка зеркала, ближайшего к его оси, изменяют частоту акустических колебаний в акустооптической ячейке до 1о соответствующей дифракции Брэгга для пучка, отраженного от второго участка зеркала, и регистрируют

fox, устанавливают на пути монохроматического излучения вместо сферического зеркала контролируемую деталь, юстируют ее до достижения дифракции Брэгга для отраженного от участка детали, ближайшего к ее оси на частоте fo<, затем изменяют частоту колебания в акустооптической ячейке до до5 стижения частоты for дифракции Брэгга для второго пучка, отраженного от участка этой же поверхности, регистрируют fm, дополнительно регистрируют частоту F1 дифракции

Брэгга для одного из пучков излучения, пре10 ломленного внутрь детали и отраженного от второй по ходу излучения поверхности детали, измеряют у1ол уЪ между направлением падающего на контролируемую деталь излучения и нормалью к направлению распрост15 ранения звукового столба и с учетом значений

Ro,, 1о1, аког, foz, fn> определяют радиус кривизны и толщину оптической детали.

18002 б1

Редактор

Заказ 1156 Тираж Подписное

BÍÈÈÏÈ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Риг2

Составитель Е.Глазкова

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Êåðåöìàí

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101,1

/) 1