Интерференционный способ измерения радиуса кривизны оптической поверхности

Авторы патента:

Половцев Игорь Георгиевич (RU)

Симонова Галина Владимировна (RU)

G01B11/255 - для измерения радиуса кривизны

Владельцы патента RU 2267744:

Институт мониторинга климатических и экологичексих систем (RU)

Способ заключается в том, что контролируемую поверхность устанавливают в интерферометр в конфокальное положение, принимая его за нулевой отсчет. Затем перемещают дважды контролируемую поверхность на произвольную величину, при этом измеряют датчиком перемещений величину перемещения контролируемой поверхности и регистрируют количество интерференционных полос в интерференционной картине с помощью цифровой обработки интерферограмм. Радиус кривизны контролируемой поверхности рассчитывают по предлагаемой формуле. Технический результат - повышение точности измерения радиуса кривизны, посредством уменьшения величины перемещения контролируемой детали и уменьшения погрешности фиксации положения детали. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интерферометрии, и может быть использовано для контроля радиуса кривизны оптической поверхности.

Известен способ измерения радиусов с помощью автоколлимационного микроскопа [1]. В процессе измерений микроскоп последовательно фокусируют на измеряемую поверхность (положение детали вершиной в фокусе микроскопа) и в центр ее кривизны (конфокальное положение детали). В обоих случаях наблюдают резкое автоколлимационное изображение. Разность отсчетов двух положений детали равна измеряемому радиусу кривизны.

Недостатки данного способа заключаются в том, что точность фокусировки микроскопа на поверхность детали и в центре кривизны зависит от чувствительности продольной наводки и носит субъективный характер.

Известен так же способ измерения радиуса кривизны путем контроля продольных наводок прибора в схеме цифрового интерферометра [2]. При этом положение детали вершиной в фокусе интерферометра и конфокальное положение определяются по минимальному искривлению полос интерференционной картины, в результате цифровой обработки интерферограмм. Этот способ по технической сущности является наиболее близким к заявляемому способу. По сравнению с автоколлимационным микроскопом интерференционная схема обладает более высокой чувствительностью. Однако недостатки данного способа заключаются в том, что существует погрешность фиксации минимального искривления интерференционной картины, при положении детали вершиной в фокусе (ошибка дефокусировки). Данная ошибка возникает в результате наличия протяженной каустики (обусловленной остаточными аберрациями), которая затрудняет установку детали вершиной в фокусе интерферометра, что приводит к возникновению неоднозначности в определении радиуса кривизны. При перемещении контролируемой детали между двумя ее крайними положениями возникает несовпадение оптической оси интерферометра с линией перемещения контролируемой детали (ошибка Аббе [3]). И чем больше радиус кривизны контролируемой детали, тем больше погрешность в определении радиуса кривизны при перемещении детали.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа измерения радиуса кривизны поверхности, который будет прост, удобен и не трудоемким.

Техническим результатом, который достигается в результате решения данной задачи, является повышение точности измерения радиуса кривизны, посредством уменьшения величины перемещения контролируемой детали и уменьшения погрешности фиксации положений детали. Для этого контролируемую деталь устанавливают в интерферометр Физо в конфокальное положение. Сначала регистрируют, путем обработки интерферограмм, минимальное искривление полос интерференционной картины, принимая данное положение контролируемой детали за нулевой отсчет, а затем перемещают контролируемую деталь вдоль оптической оси интерферометра дважды, каждый раз выбирая величину перемещения произвольно. После каждого перемещения регистрируют количество полос в интерференционной картине и величину, на которую переместили контролируемую деталь. По результатам измерений рассчитывают радиус кривизны по формуле:

где

λ - рабочая длина волны интерферометра; N₁, N₂ - количество полос в интерференционных картинах, соответствующих 1 и 2 положению детали; L₁, L₂ - измеренные перемещения, соответствующие 1 и 2 положению детали (см. фиг.2).

Угол α определяется из формулы (см. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения - Л.: Машиностроение, 1989, с.17), где, в нашем случае

Значение радиуса кривизны контролируемой детали R_кд определяется с помощью фиг.3. При перемещении контролируемой детали в схеме интерферометра на произвольное расстояние L₁, интерференционная картина изменится на N₁λ/2, а радиус сферы сравнения Обозначим: 1/2 диаметра сферы сравнения за

1/2 диаметра контролируемой сферы

стрелку прогиба сферы сравнения

стрелку прогиба контролируемой сферы

тогда разность стрелок прогиба интерферирующих сферических фронтов есть разность фаз интерферирующих фронтов

Повышение точности измерения обеспечивается за счет того, что, во-первых, положение детали вершиной в фокусе отсутствует и как следствие этого отсутствует ошибка дефокусировки; во-вторых, за счет незначительных перемещений контролируемой детали вдоль оптической оси интерферометра уменьшена ошибка Аббе, вызванная несовпадением оптической оси интерферометра с линией перемещения контролируемой поверхности.

На фиг.1 показано устройство для реализации предлагаемого способа измерения.

Устройство состоит из интерферометра Физо 1 с блоком для цифровой обработки интерферограмм 2, контролируемой детали 3 и датчика перемещений 4.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемая деталь 3 устанавливается на оптической оси интерферометра 1 в конфокальное положение. Данное положение фиксируется по минимальному искривлению полос интерференционной картины и принимается за нулевой отсчет. Затем перемещают контролируемую деталь вдоль оптической оси интерферометра на расстояние L₁, так чтобы на интерференционной картине возникло N₁ полос, регистрируемых блоком 2. С помощью датчика перемещений 4 снимают отсчет L₁. Снова повторяют такую операцию, перемещая контролируемую деталь на расстояние L₂ (на интерференционной картине возникает N₂ полос), снимают отсчет L₂.

Контролируемый радиус кривизны определяют по формуле (1).

Предлагаемый способ контроля радиуса кривизны является эргономичным и легко автоматизированным. Точность контроля зависит от точности обработки интерферограмм и погрешности измерения перемещений.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения /Под общ. ред. Д.Т.Пуряева. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с.: ил.

2. Lars A. Selberg Radius measurement by interferometry //Optical Engineering. 1992/ - Vol.31. №9. - P.1961.

3. Афанасьев В.А. Оптические измерения: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1981. - 229 с., ил.

Интерференционный способ измерения радиуса кривизны оптической поверхности, заключающийся в том, что устанавливают контролируемую деталь в интерферометр в конфокальное положение, регистрируют путем обработки интерферограмм минимальное искривление полос интерференционной картины, принимая за нулевой отсчет данное положение контролируемой детали, а затем перемещают ее вдоль оптической оси интерферометра, отличающийся, тем, что контролируемую деталь перемещают дважды, каждый раз выбирая для этого произвольно величину перемещения, после каждого перемещения регистрируют изменение полос в интерференционной картине, определяют их количество и величину, на которую переместили контролируемую деталь, а затем рассчитывают радиус кривизны контролируемой поверхности по формуле

где

λ - рабочая длина волны интерферометра;

N₁, N₂ - искривления полос в интерференционных картинах, соответствующих первому и второму положениям детали;

L₁, L₂ - соответствующие измеренные перемещения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения радиуса сферических полированных поверхностей, и может быть использовано при контроле оптических деталей.

Способ определения радиусов кривизны сферических поверхностей и устройство для его осуществления // 1562691

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптико-механическом производстве при технологическом и аттестационном контроле радиусов кривизны сферических поверхностей оптических и механических деталей.

Способ определения локальной кривизны поверхности // 1474457

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения формы поверхности полированных подложек в электронной технике и для контроля оптических элементов.

Способ контроля радиуса кривизны сферических поверхностей оптических деталей // 1460600

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле высокоточных оптических деталей, например пробньлс стекол. .

Теневой прибор // 1421995

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении для контроля формы волновых фронтов и оптических поверхностей .

Способ измерения радиуса кривизны сферических поверхностей объектов // 1411576

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения радиуса кривизны сферических поверхностей различных объектов. .

Устройство для измерения радиуса кривизны сферической поверхности оптической детали // 1379615

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано , например, при измерении больших по величине радиусов кривизны вы5 / сокоточных особо чистых поверхностей оптических деталей.

Способ измерения радиуса кривизны поверхности оптической детали // 1322088

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения преимущественно больших радиусов кривизны сферической поверхности оптических деталей.

Устройство для измерения линейных перемещений // 1315799

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в оптическом приборостроении дпя огфеделения кривизны поверхности оптических деталей. .

Способ измерения радиуса кривизны сферической поверхности оптической детали // 1293484

Изобретение относится к измерительной технике. .

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии // 2335735

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноэлектроники, а более конкретно к сканирующей зондовой микроскопии

Способ определения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности методом оптической дальнометрии // 2491504

Способ определения остаточной сферичности отражающей поверхности // 2528272

Способ определения остаточной сферичности отражающей поверхности относится к измерительной технике и может быть использован для определения остаточной сферичности плоских зеркал и радиусов кривизны крупногабаритных сферических зеркал. Способ заключается в том, что измерительный прибор устанавливают в рабочее положение перед отражающей поверхностью, расположенной в вертикальной плоскости, и настраивают на автоколлимационное изображение, причем в качестве измерительного прибора используют, по меньшей мере, один автоколлимационный теодолит, остаточную сферичность определяют по измеренным значениям углов, считанным по вертикальному кругу теодолита при совмещении сетки теодолита с ее автоколлимационным изображением, измерение углов проводят для двух точек отражающей поверхности, максимально разнесенных на поверхности и расположенных на одной вертикали, а остаточную сферичность рассчитывают по формуле: R = Δ d π ⋅ ( α − β ) ⋅ 180 ∘ где: Δd - разница высот установки теодолита относительно Земли, м α, β - значения углов вертикального круга теодолита при совмещении сетки теодолита с ее автоколлимационным изображением для верхнего и нижнего положения теодолита соответственно, град. Технический результат - сокращение времени определения остаточной сферичности за счет сокращения времени, необходимого на сборку измеряющей схемы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ бесконтактного определения кривизны поверхности строительной конструкции // 2559168

Изобретение относится к способам измерительного контроля качества поверхности строительных конструкций. Способ бесконтактного определения кривизны поверхности строительной конструкции включает синхронное измерение с помощью системы закрепленных на общем основании датчиков расстояния, расположенных относительно друг друга под неизменяемым углом, расстояний от каждого из датчиков до своей контрольной точки на пересечении оси датчика с поверхностью конструкции, и передачу полученных данных в блок анализа и обработки информации, в котором производится расчет кривизны. При этом одновременно поверхность конструкции остается неподвижной. Измерение расстояний осуществляют переносной системой из трех наклонных и одного высотного лазерных дальномеров, равноудаленных от вершины воображаемой правильной треугольной пирамиды и направленных при измерении в сторону поверхности конструкции таким образом, чтобы оси наклонных дальномеров совпадали с боковыми ребрами, имеющими угол наклона 55-85°, а ось высотного дальномера - с высотой этой пирамиды, все углы основания которой своими вершинами совмещены с поверхностью конструкции. Технический результат - бесконтактное определение кривизны поверхности неподвижных объектов с расстояния более 1 м. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство и способ определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей на основе датчика волнового фронта // 2623702

Заявленное изобретение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности. Заявленное устройство определения радиуса кривизны крупногабаритной оптической детали на основе датчика волнового фронта содержит: оптическую насадку 2; оптическую систему 3, состоящую из афокальной системы оптических элементов 3.1, 3.2, светоделительного кубика 3.3 между ними и точечного источника излучения 3.4. Оптический элемент 3.1 является коллимирующим объективом для источника 3.4 с выводом коллимированного излучения в насадку 2 и одновременно с этим элементы 3.1, 3.2 согласуют апертуры насадки 2 и датчика 4, расположенного позади элемента 3.2; место неподвижного расположения детали 1 с ее контролируемой поверхностью, обращенной к насадке 2. Деталь 1, насадка 2 и система 3 расположены последовательно на единой оптической оси. Насадка 2, система 3 и датчик 4 образуют единый блок с возможностью его малых по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности детали 1 варьируемых перемещений вдоль оптической оси относительно места неподвижного расположения детали 1. Оптическая ось датчика 4 совпадает с единой оптической осью детали 1, насадки 2 и системы 3. При этом отсутствует излом кубиком 3.3 сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 к датчику 4, а кубик 3.3 использован только для ввода излучения от источника 3.4 в элемент 3.1. Способ с использованием указанного устройства заключается в том, что в начальном положении на насадку 2 единого блока приходит отраженный от детали 1 сферический волновой фронт с радиусом кривизны, равным фокусному расстоянию ƒн насадки 2, при этом после насадки 2 и системы 3 этот волновой фронт приходит на датчик 4 уже в виде плоского волнового фронта с радиусом кривизны, равным бесконечности. После этого посредством дополнительного малого по сравнению с величиной радиуса Rз кривизны поверхности детали 1 перемещения Δ единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль оптической оси производят определение радиуса Rз через определение радиуса кривизны приходящего на датчик 4 отраженного от поверхности детали 1 сферического волнового фронта с учетом его геометрического преобразования системой 3 с помощью расчета по формуле отрезков для насадки 2 и элементов 3.1, 3.2 и с использованием формул расчета радиуса Rз с учетом правила знаков (из геометрической оптики). Перемещение Δ выбирают так, чтобы на датчик 4 приходил сферический волновой фронт, соответствующий допустимому минимально измеряемому датчиком 4 радиусу кривизны сферического волнового фронта, при этом радиус кривизны сферического волнового фронта Rn на входе насадки 2 связан с радиусом Rз, перемещением Δ и фокусным расстоянием ƒн формулой: , из которой при известной величине радиуса Rn определяют искомую величину радиуса Rз кривизны контролируемой поверхности детали 1. Технический результат - уменьшение искажений (аберраций) отраженного от контролируемой поверхности детали сферического волнового фронта и соответственно увеличение динамического диапазона работы устройства; а также минимизация среднеквадратической погрешности измерения радиуса кривизны волнового фронта и соответственно повышение точности определения радиуса кривизны контролируемой поверхности детали. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.