Сканирующий интерферометр для измерения отклонения формы оптических поверхностей

Сканирующий интерферометр для измерения отклонения формы оптических поверхностей содержит источник когерентного излучения, первый фильтр-конденсор, состоящий из конденсорной линзы, первый и второй светоделительные элементы, объектив, интерферометр, состоящий из эталонной и контролируемой поверхностей, устройство для изменения оптической длины хода луча, первую проекционную систему, регистрирующий блок и систему обработки интерференционной картины, систему проецирования автоколлимационных изображений. Также введен дополнительный фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива, устройство для изменения оптической длины хода луча расположено за лазером, выполнено в виде двух прозрачных дифракционных решеток, одна из которых может перемещаться в направлении, перпендикулярном штрихам решетки, первая дифракционная решетка делит излучение на два луча, каждый из которых попадает на линзы фильтров-конденсоров, а контролируемая и эталонная поверхности наклонены относительно нормали к оптической оси. Технический результат - расширение работы фазового интерферометра и области его применения. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной и может быть использовано, при контроле формы оптических деталей.

Известен интерферометр [1], предназначенный для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной.

Интерферометр содержит гелий-неоновый лазер, специальный фильтр, преобразующий луч лазера в расходящийся волновой фронт, светоделители, объектив, собственно интерферометр Физо, систему проецирования на телекамеру и систему предварительной настройки интерферометра.

В интерферометре использован способ определения координат центров интерференционных полос на интерферограммах амплитудным методом, т.е. по минимуму освещенности, дальнейшем расчете формы волнового фронта, отраженного контролируемой поверхностью и, соответственно, отклонения формы этой поверхности. Этому методу присущи недостатки, заключающиеся в том, что все дефекты интерференционной картины, возникающие из-за дефектов осветителя и оптической системы интерферометра воспринимаются системой регистрации интерфорограммы как деформации интерферограммы, вызванные отклонением формы поверхности контролируемой детали от номинальной.

Кроме амплитудных известны фазовые методы измерения отклонения формы оптических поверхностей и устройства их реализующие, основанные на осуществлении сканирования интерференционной картины. В этом случае дефекты оптической системы интерферометра не изменяются при сканировании и не влияют на результаты измерения.

Так в устройстве [2] сканирование интерференционной картины осуществляется методом изменения длины волны излучения источника, что реализовано в известном способе путем изменения оптической длины резонатора лазера. Этот способ требует для своей реализации специального лазера, что является его несомненным недостатком.

Известно устройство для перемещения зеркала интерферометра [3], в котором сканирующее зеркало совершает колебания за счет упругости элементов крепления при вращении привода:

Недостатком устройства является то, что оно может быть применимо только для зеркал небольших габаритов.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является интерферометр [4], принципиальная схема которого представлена на фиг.4.

Интерферометр, выбранный за прототип, основан на том, что эталонная поверхность совершает колебательные движения вдоль оптической оси. В результате вся интерференционная картина смещается на одну полосу при перемещении эталонной поверхности на 1/2 длину волны излучения, используемого в интерферометре источника. Измерив три или более значений интенсивности интерференционной картины в точках поля, соответствующих положению пикселей матрицы, за время одного цикла перемещения эталонной поверхности, можно рассчитать фазу интерферограммы в этих точках поля, что соответствует фазе волнового фронта.

Известное устройство [4] содержит источник когерентного излучения, расположенные за ним фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива и состоящий из конденсорной линзы и диафрагмы малого диаметра, первый и второй светоделительные элементы, объектив и интерферометр. Интерферометр состоит из контролируемой и эталонной поверхностей. Обе поверхности перепендикулярны оптической оси. Эталонная поверхность совершает колебания вдоль оптической оси интерферометра, благодаря чему длина хода луча, отраженного от этой поверхности, непрерывно изменяется. Устройство [4] содержит также проекционную систему, которая вместе с объективом проецирует интерференционную картину на TV-камеру и фотодиодную матрицу, а также систему проецирования автоколлимационных изображений, предназначенную для предварительной настройки интерферометра. С фотодиодной матрицей связана ЭВМ, в которой осуществляется обработка результатов измерения. Известное устройство [4] может быть использовано только для контроля деталей диаметром до 100 мм, так как обеспечить высокочастотное колебательное перемещение деталей, имеющих большие габариты, практически невозможно.

При применении известного устройства для контроля сферических поверхностей вносится дополнительная погрешность, обусловленная смещением центра кривизны эталонной поверхности относительно центра кривизны поверяемой поверхности, что также сказывается на точности измерения.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение диапазона работы фазового интерферометра и области его применения.

Для решения поставленной задачи предложено устройство, которое, как и прототип, содержит источник когерентного излучения, первый фильтр-конденсор, расположенный в фокальной плоскости объектива и состоящий из конденсорной линзы, в фокальной плоскости которой установлена диафрагма малого диаметра, первый и второй светоделительные элементы, интерферометр, состоящий из контролируемой и эталонной поверхностей, а также устройство для изменения оптической длины хода луча, первую проекционную систему, которая вместе с объективом проецирует интерференциальную картину на регистрирующий блок и связанную с регистрирующим блоком систему обработки интерференциональной картины и систему проецирования автоколлимационных изображений.

В отличие от прототипа устройство для изменения оптической длины хода луча расположено в осветительной части интерферометра, выполнено в виде двух прозрачных дифракционных решеток, одна из которых может перемещаться в направлении, перпендикулярном штрихам решетки с помощью пьезодвигателя, в устройство введен второй фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива, а эталонная и контролируемая поверхности наклонены относительно нормали к оптической оси в разные стороны на угол

α=S/4f'_об,

где S - расстояние между диафрагмами первого и второго фильтров-конденсоров;

f'_об - фокусное расстояние объектива.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство для изменения оптической длины хода луча, выполненное в виде двух прозрачных дифракционных решеток, одна из которых совершает колебательное движение, перпендикулярное штрихам решетки, создает два луча, разность фаз между которыми изменяется при движении решетки.

После отражения эталонной и контролируемой поверхностей эти лучи интерферируют между собой, образуя интерферограмму, фаза которой изменяется при движении решетки.

Измеряя интенсивности интерференционной картины в местах установки фотоприемных устройств, при смещении картины (не менее, чем в 3-х положениях) вычисляются фазы волнового фронта в этих точках обычными методами, привычными для сканирующих интерферометров.

Поскольку сканирующее устройство установлено в осветительной части интерферометра, оно одинаково пригодно для плоских и сферических поверхностей любых размеров, определенных деталями интерферометра.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволила достигнуть определенный технический результат, выражающийся в расширении диапазона работы фазового интерферометра и области применения, благодаря тому, что получение фазовой картины за счет изменения оптической длины хода двух лучей появилась возможность производить контроль плоскостности деталей любых размеров, обеспечиваемых размерами деталей интерферометра, так как узел, создающий набег фазы не зависит от размеров контролируемой детали. Система пригодна также и для контроля сферических деталей, так как не нарушается центрировка деталей в процессе сканирования.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 -изображена схема образования разности фаз двух лучей, прошедших через подвижную дифракционную решетку; на фиг.2 - представлена принципиальная схема устройства; на фиг; 3- представлена схема одного из конкретных примеров выполнения узла изменения фазы интерферирующих лучей, на фиг.4 - представлен разрез по А-А; на фиг.5 - представлена принципиальная схема устройства, принятого за прототип.

Сканирующий интерферометр для измерения отклонения формы оптических поверхностей содержит источник когерентного излучения 1, например лазерный излучатель ЛГН-303, расположенный за ним узел изменения фазы интерферирующих лучей 2, состоящий из двух дифракционных решеток 3 и 4, одна из которых совершает колебательные движения и два фильтра-конденсора 5, расположенные в фокальной плоскости объектива 6 и состоящие из линз, в фокальных плоскостях которых расположены диафрагмы 7 и 8. Устройство содержит также первый и второй светоделительные элементы 9 и 10, интерферометр 11, состоящий из эталонной 12 и контролируемой 13 поверхностей, наклоненных к оптической оси устройства так, чтобы лучи от диафрагмы 7, отраженные эталонной поверхностью и лучи от диафрагмы 8, отраженные контролируемой поверхностью, были параллельны и интерферировали между собой.

Устройство содержит также проекционную систему 14, которая вместе с объективом 5 проецирует интерференционную картину на TV камеру 15, с которой связана ЭВМ, осуществляющая обработку результатов измерения, и систему проецирования автоколлимационных изображений 16.

Эталонная 12 и контролируемая 13 поверхности наклонены относительно нормали к оптической оси в разные стороны на угол

α=S/4 f'_об,

где S - расстояние между диафрагмами первого и второго фильтров-конденсоров;

f'_об - фокусное расстояние объектива.

В одном из конкретных примеров выполнения узла изменения фазы интерферирующих лучей устройства узел содержит первую дифракционную решетку 3, которая с помощью упругого шарнирного подвеса 17 и пьезодвигателя 18 может совершать колебательные движения, перпендикулярные штрихам решетки 3. За подвижной решеткой 3 расположена неподвижная решетка 4, которая отклоняет падающие на нее лучи и делает их параллельными.

Устройство работает следующим образом.

Образование разности фаз двух лучей, прошедших через подвижную дифракционную решетку 3 показано на фиг.1, где решетки обозначены следующим образом:

А - подвижная дифракционная решетка 3;

Б - неподвижная дифракционная решетка 4;

l - перемещение дифракционной решетки.

Если принять точку О за начало отсчета, то фаза волны в плоскости С, будет:

Ф_с1=Ф₀-2π/λ·Δ₁,

а в плоскости С₂

Ф_с2=Ф₀+2π/λ·Δ₂,

так как Δ₁=Δ₂=lsin α, a sin α=λ/d,

где d - шаг решетки, то разность фаз лучей I и II будет

ΔФ=Ф_c2-Ф_с1=2π/λ. 2Δ=4π·l/d

Изменение разности фаз лучей I и II на 2π будет при смещении решетки на d/2.

Излучение лазера 1 первой дифракционной решетки 3 делится на два луча, каждый из которых попадает на линзы фильтров-конденсоров 5, в фокальной плоскости которых имеются диафрагмы 7 и 8, пропускающие только основной поток и отрезающие все паразитные лучи. Из диафрагмы выходят два сферических волновых фронта, которые после объектива становятся плоскими.

Эталонная поверхность 12, установленная под углом относительно нормали к оптической оси, отражает падающие на нее лучи и в фокальной плоскости объектива образуется изображение диафрагмы, которое можно наблюдать с помощью системы проецирования автоколлимационных изображений 15. Наклонами контролируемой поверхности 13 совмещается изображение диафрагмы 8 с изображением диафрагмы 7, отраженным от эталонной поверхности 12.

При этом отраженные от эталонной и контролируемой поверхностей лучи параллельны между собой и образуют интерференционную картину. При движении дифракционной решетки фазы фронтов, идущих от диафрагм 7 и 8 изменяются друг относительно друга и интерференционная картина смещается на одну полосу при изменении разности фаз на 2π.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США N 4201473, МПК G 01 В 9/02, 1980 г.

2. Европейский патент N 0144510, МПК G 01 В 9/02, 1985 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 1337651, МПК G 01 B 9/02, 1985 г.

4. Интерферометр. Модель MARK III. Техническое описание - прототип.

Сканирующий интерферометр для измерения отклонения формы оптических поверхностей, содержащий источник когерентного излучения, первый фильтр-конденсор, расположенный в фокальной плоскости объектива и состоящий из конденсорной линзы, в фокальной плоскости которой установлена диафрагма малого диаметра, первый и второй светоделительные элементы, объектив, интерферометр, состоящий из эталонной и контролируемой поверхностей, а также устройство для изменения оптической длины хода луча, первую проекционную систему, которая вместе с объективом проецирует интерференционную картину на регистрирующий блок, связанный с системой обработки интерференционной картины, систему проецирования автоколлимационных изображений, которая вместе с объективом проецирует изображение диафрагмы на регистрирующий блок, отличающийся тем, что в интерферометр введен дополнительный фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива, устройство для изменения оптической длины хода луча расположено за лазером, выполнено в виде двух прозрачных дифракционных решеток, одна из которых может перемещаться в направлении, перпендикулярном штрихам решетки, с помощью пьезодвигателя, первая дифракционная решетка делит излучение на два луча, каждый из которых попадает на линзы фильтров-конденсоров, а контролируемая и эталонная поверхности наклонены относительно нормали к оптической оси в разные стороны на угол α=S/4 f'_об, где S - расстояние между диафрагмами первого и второго фильтров-конденсоров; f'_об - фокусное расстояние объектива.