Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоит из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа. Источник излучения включает два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси. Устройство изготовлено с возможностью регулирования расстояния L между плоской эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника. Технический результат - минимизация погрешностей измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее - к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей.

Уровень техники

На сегодняшний день технологическое производство изготовления оптических поверхностей позволяет получить оптические изделия различной конфигурации с требуемыми характеристиками профиля изделия, которые необходимо контролировать в процессе производства. В настоящее время большой интерес вызывают задачи, связанные с определением и контролем параметров качества оптических поверхностей. Это связано с появлением ряда современных технических систем, в состав которых входят крупногабаритные высокоточные оптические детали: сверхкрупный астрономический телескоп с главным зеркалом, требование к уровню погрешности поверхности которого составляет 0,1 нм [1], или сверхмощный лазер с активными средами диаметром до 1 м и погрешностью профиля поверхности, составляющей десятые доли нм [2]. Такие высокие требования к точности оптических поверхностей определяют качество функционирования технической системы в целом.

Изобретение представляет собой интерферометрическую измерительную систему на основе интерферометра Физо, позволяющую проводить измерения параметров качества, учитывающих суммарное искажение волнового фронта как за счет погрешностей поверхности детали, так и неоднородностей оптического материала детали в условиях производства.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого изобретения можно признать устройство для измерения волнового фронта с высоким качеством и в присутствии вибраций и помех в условиях производства (патентная заявка США 2012026507, МПК G01B 9/02, опубл. 2012.02.02). Прототип состоит из:

- передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка с взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива: эталонную оптическую пластину, контролируемую плоскую оптическую деталь и возвратное зеркало;

- приемного канала, включающего светоделитель и приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа.

Прототип устройства позволяет измерять оптические поверхности с погрешностью в десятые доли нм при наличии вибраций, характерных для оптического производства. Прототип устройства одновременно регистрирует три интерференционные картины с разностью фаз друг относительно друга π/2. Интерферограммы записываются тремя независимыми камерами (CCD-камерами). Для регистрации интерферограмм необходимо, чтобы опорный и объектные лучи были ортогонально поляризованы. Для этого в схему интерферометра Физо введено два источника излучения с перпендикулярными состояниями поляризации. Вибрационная независимость обеспечивается в прототипе за счет построения оптической схемы с дополнительными поляризационными компонентами (поляризационным светоделителем, четвертьволновой пластинкой и линейными поляризаторами, расположенными перед приемником излучения), при этом конечный результат регистрируется одновременно тремя независимыми ПЗС-матрицами, что дает возможность получить несколько интерференционных картин одновременно за одно измерение. Полученные интерференционные картины позволяют восстановить профиль измеряемой поверхности и определить погрешности профиля (в обычных интерферометрах за одно измерение возможно получение только одной интерференционной картины, следующую интерферограмму можно зарегистрировать только через некоторый промежуток времени, в течение которого присутствующие на производстве вибрации уже вносят изменения в результаты измерения).

Прототип имеет погрешность измерения, обусловленную наклоном возвратного зеркала. Это связано с тем, что лучи, отражаясь от возвратного зеркала, проходят в обратном ходе по другому оптическому пути через другие участки поверхности эталонной пластины и при этом смещаются на величину tx. Если значение tx превышает эквивалентный размер разрешения элемента матричного фотоприемника интерферометра, масштабированного на плоскость установки эталонной поверхности, то появляется так называемая погрешность наклона и топография измеряемой поверхности нарушается, что в значительной степени и, возможно, недопустимо увеличивает общую погрешность измерения. В прототипе, при перпендикулярном расположении эталонной детали по отношению к оптической оси, минимальное расстояние между поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом определяется толщиной контролируемой детали, и в этом случае смещение пучков вносит погрешность наклона, незначительно влияющую на общую погрешность измерения.

Однако для определенных задач возникает потребность контролировать плоские крупногабаритные исследуемые детали, находящиеся в рабочем положении под углом, не равным 90° (например, под углом Брюстера), к оптической оси, или контролировать одновременно нескольких расположенных друг за другом под единым углом к общей оптической оси плоских крупногабаритных исследуемых деталей, что может привести к неизбежности значительного увеличения расстояния между эталонной пластиной и возвратным зеркалом. В прототипе такое измерение нескольких исследуемых деталей или детали под углом к оптической оси также увеличивает это расстояние и может привести к значительному увеличению погрешности измерения.

Помимо этой ограничительной особенности прототипа для контроля исследуемой детали (с диаметрами апертур до 300 мм) в прототипе использованы линзовый объектив (коллиматор) и эталонная плоская пластина. Однако для контроля крупногабаритных оптических поверхностей с диаметром апертуры порядка 1000 мм и более применение линзового объектива обладает рядом существенных недостатков: изготовление объектива подобных габаритов очень сложно и является дорогостоящим; для контроля качества линзового объектива требуется разработка отдельной оснастки, так как необходимо контролировать качество не только поверхностей линзового объектива, но и самого его материала.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является минимизация погрешностей измерений для контроля параметров качества крупногабаритных плоских оптических деталей (одной или нескольких расположенных друг за другом под единым углом к общей оптической оси), что достигается за счет:

- возможности регулирования расстояния между плоской эталонной поверхностью и возвратным зеркалом с учетом параметров контролируемых плоских крупногабаритных оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси,

- а также замены совокупности линзового коллиматора и эталонной оптической пластины на совокупность сферического зеркала и эталонного оптического клина.

Технический эффект достигается в устройстве, состоящем из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка с взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину с эталонной поверхностью, контролируемую плоскую оптическую деталь и возвратное зеркало; и приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа; при этом источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси, и есть возможность регулирования расстояния L между эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом с учетом параметров контролируемых плоских крупногабаритных оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, а именно в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника.

Также для контроля крупногабаритных оптических поверхностей в качестве оптического коллиматора системы, расширяющего пучок до необходимого диаметра, использовано сферическое зеркало, а в качестве эталонной пластины - оптический клин, одна из граней которого, обращенная к зеркальному коллиматору, наклонна по отношению к оптической оси, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.

Перечень фигур

Фиг. 1 - схема расположения компонентов предлагаемого устройства.

Фиг. 2 - схемы в увеличенном масштабе ходов оптических лучей в местах А и Б схемы расположения компонентов устройства.

Осуществление изобретения

На фигурах использованы следующие обозначения:

1 - поляризационный источник излучения;

2 - объектив;

3 - пространственный фильтр;

4 - поляризационный светоделитель;

5 - светоделитель;

6 - четвертьволновая пластинка;

7 - зеркальный сферический коллиматор;

10 - интерферометрическая система;

11 - передающий канал;

12 - модуль источника излучения;

13 - интерференционный модуль;

14 - приемный канал;

15 - эталонный объект;

16 - контролируемый объект;

17 - возвратное зеркало;

18 - исходный волновой фронт;

19 и 20 - источники излучения, расположенные на расстоянии Δ друг от друга;

21 и 22 - два взаимно поляризованных волновых фронта, исходящих от источников излучения 19 и 20;

23 и 24 - два взаимно поляризованных волновых фронта, отраженных от возвратного зеркала;

α - угол расходимости излучения точечного источника;

D - диаметр апертуры оптического клина;

f′ - фокусное расстояние зеркального сферического коллиматора;

L - расстояние между эталонной поверхностью оптического клина и возвратным зеркалом.

Интерферометрическая система (10) предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, и на фиг. 2 - участки ходов лучей в увеличенном масштабе.

Конструкция включает в себя передающий (11) и приемный каналы (14). Передающий канал (11) состоит из интерферометрического модуля (13) и модуля источника излучения (12). Приемный канал включает фазосдвигающий модуль для генерации множественных интерферограмм с фазовым сдвигом π/2 между ними. Модуль источника излучения (12) обладает поляризационным источником излучения (1), генерирующим пучок линейно поляризованного излучения (18), который проходит через объектив (2), фокусирующий излучение в плоскость пространственного фильтра (3) с микроотверстием. Волновой фронт (18) проходит через поляризационный светоделитель (4), который разделяет излучение на два взаимно поляризованных волновых фронта (21) и (22). Данные пучки лучей после светоделителя (4) смещаются по отношению друг к другу, как если бы они исходили от двух разных источников излучения (19) и (20) на расстоянии Δ друг от друга. Выходя из интерферометрического модуля системы, пучки проходят светоделитель (5), четвертьволновую пластинку (6), отражается от первой поверхности исследуемой детали (16), затем от зеркального коллиматора (7) с фокусным расстоянием f′ и проходят через эталонный объект (15) диаметром апертуры D. После чего часть излучения отражается от эталонного объекта ((21) и (22)), а часть проходит через эталонный объект, исследуемый объект (16) и отражается от возвратного зеркала (17) (пучки (23) и (24)), расположенного на расстоянии L от поверхности эталона. Два пучка (21) и (22) с информацией об ошибках волнового фронта эталонного объекта отражаются от зеркального коллиматора (7), затем от первой поверхности исследуемой детали (16), проходят через четвертьволновую пластинку (6) и отражаются от светоделителя (5), и попадают в модуль приемника излучения. Содержащие информацию о волновом фронте исследуемого объекта пучки (23) и (24) отражаются от зеркального коллиматора (7), затем от первой поверхности исследуемой детали (16), проходят через четвертьволновую пластинку (6) и отражаются от светоделителя (5), и также попадают в модуль приемника излучения (14).

Используемый в устройстве источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси. Для получения интерференционной картины на детекторе излучение должно сходиться на оптической оси, поэтому в системе предусмотрен поворот возвратного зеркала, позволяющий свести пучки. В обратном ходе после отражения от поверхности возвратного зеркала каждый луч рабочего пучка излучения проходит через эталонную поверхность со смещением на величину tx относительно прямого хода лучей. Для наилучшего качества восстанавливаемой топографии поверхности контролируемой оптической детали необходимо, чтобы линейное смещение tx в плоскости эталонной поверхности не превышало эквивалентного размера разрешения элемента матричного фотоприемника интерферометра, масштабированного на плоскость установки эталонной поверхности. При этом максимально допустимое смещение пучка: , где D - диаметр клина, a n - количество пикселов матрицы фотоприемника в плоскости анализа (матрица состоит из n×n - элементов).

Максимально допустимое расстояние L, при котором условие допустимого смещения tx выполняется, равно: , где α - угол расходимости излучения точечного источника. Угол расходимости излучения α определяется через фокусное расстояние f′ зеркального сферического коллиматора и смещения источника излучения Δ относительно оптической оси: , где Δ - расстояние между источниками излучения; f′ - фокусное расстояние сферического зеркала. Таким образом, допустимое значение величины расстояния между эталонной поверхностью и возвратным зеркалом должно быть не более: . При выполнении этого условия смещение пучка tx не будет превышать пространственного разрешения прибора и погрешность наклона не будет сказываться на качестве анализа неоднородностей оптических поверхностей.

В том случае, если это условие не выполняется, например при большом количестве расположенных друг за другом под единым углом наклона контролируемых плоских оптических деталей, измерения необходимо разбить на ряд измерений с меньшим количеством исследуемых деталей в отдельных группах и после этого проводить суммарную оценку качества групп деталей.

Для контроля плоских крупногабаритных деталей в предлагаемом устройстве вместо линзового коллиматора использован зеркальный коллиматор, выполненный в виде сферического зеркала. Изготовление сферического зеркала является менее дорогостоящим и более простым в технологическом процессе изготовления и контроля. И для реализации схемы контроля крупногабаритных оптических деталей с зеркальным коллиматором эталонная пластина в изобретении выполнена в виде оптического клина.

Одна из граней клина, обращенная к зеркальному коллиматору, расположена под углом к оптической оси системы, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.

Наклонная поверхность оптического клина позволяет ввести в оптическую схему изобретения зеркальный коллиматор, который формирует коллимационный пучок с диаметром порядка 1000 мм и более.

Пример реализации данного изобретения

Два источника излучения, разнесенных на расстояние Δ=3,2 мм, расстояние между источниками и зеркальным коллиматором составляет 8300 мм, световой диаметр коллиматора D=1000 мм, фокусное расстояние коллиматора f′=15000 мм, апертура коллиматора D/f′=1/15, угол оптического клина составляет 2,64°, радиус сферического зеркала 3×104 мм, угол поворота возвратного зеркала α=4.6×10-6°.

Угол поворота возвратного зеркала и угол поворота контролируемой оптической детали не связаны, угол поворота контролируемой детали может быть равным углу Брюстера или же быть единицами или десятками градусов.

С учетом всех указанных параметров максимально допустимая величина расстояния между эталонной поверхностью и возвратным зеркалом составляет Z=2000 мм.

Источники информации

1. http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt.html

2. https://lasers.llnl.gov/about/nif/about.php

1. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоящее из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа, отличающееся тем, что источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси, и устройство изготовлено с возможностью регулирования расстояния L между плоской эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для контроля крупногабаритных оптических поверхностей в качестве объектива системы, расширяющего пучок до необходимого диаметра, использовано сферическое зеркало, а в качестве эталонной пластины - оптический клин, одна из граней которого, обращенная к зеркальному коллиматору, наклонна по отношению к оптической оси, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам. Сущность решения заключается в использовании электродинамической головки, у которой резонансная частота fr, обуславливающая паразитные вибрации, эффективно подавляется с помощью активной системы с обратной связью, за счет того, что достаточно удалена на частотной оси относительно частоты колебания зеркала f.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа компенсации дрейфа частоты опорного источника энергии в спектрометрическом приборе на основе FT-интерферометра.

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и касается способа компенсации световых потерь.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей. В способе голографического контроля формируется первый опорный пучок с помощью светоделителя и зеркал и объектный пучок, включающий проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы.

Изобретение относится к области для измерения концевых мер длины. Двусторонний интерферометр содержит два лазера со стабилизированной частотой излучения, кольцевой трехзеркальный интерферометр и две наложенные голограммы, одна из которых записана излучением одного лазера, другая - другого лазера.

Изобретение относится к способу голографической визуализации быстропротекающих процессов - двухфазных потоков «твердые частицы - газ». При реализации способа посредством оптических элементов создают два объектных и два опорных пучка.

Изобретение относится к области интерферометрии. Система с интерферометрами содержит содержит волоконно-оптический датчик, который может иметь часть датчика Майкельсона и часть датчика Маха-Цендера.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа многоканального измерения смещения длины волны света. Измерения осуществляются с использованием интерферометра Фабри-Перо.

Изобретение может быть использовано для диагностики неоднородностей в прозрачных средах, в том числе в физике горения, экспериментальной газовой динамике, прикладной аэродинамике, гидродинамике.

Способ получения оптических трёхмерных и спектральных изображений микрообъектов включает в себя коллимирование широкополосного оптического излучения источника, разделение на два пучка - референтный и объектный, формирование интерференционной картины за счёт сведения указанных пучков, регистрация её матричным приемником. Дополнительно проводят фильтрацию перестраиваемым спектральным акустооптическим монохроматором. Регистрацию узкополосного спектрального изображения объекта производят при блокировке референтного пучка съемным непрозрачным поглотителем. Технический результат заключается в возможности реализации режима оптической когерентной томографии полного поля и режима регистрации спектральных изображений в произвольных спектральных интервалах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается интерферометра Майкельсона с колеблющимися зеркалами. Интерферометр включает в себя n зеркал, причем n≥2. Зеркала выполнены с возможностью при колебании на частоте Ω обеспечить изменение оптической разности хода во времени по закону , где δxi=2Ai/cosθi - амплитуда колебаний оптической разности хода от i-го зеркала, которое колеблется с амплитудой Ai, фазовым сдвигом φi и отражает свет под углом θi. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается спектроскопического прибора. Спектрометрический прибор включает в себя сканирующий интерферометр. Интерферометр включает в себя светоделитель, источник монохроматического опорного излучения и источник наблюдаемого излучения. Опорный луч распространяется по первой траектории и падает на лицевую поверхность светоделителя. Наблюдаемое оптическое излучение распространяется по второй траектории, падает на лицевую поверхность светоделителя и перекрывается с опорным пучком на первой лицевой поверхности светоделителя. Траектории распространения опорного и наблюдаемого лучей расположены относительно друг друга под углом большим, чем половинный угол расходимости наблюдаемого луча. Технический результат заключается в повышении полной мощности наблюдаемого луча. 2 н. и 6 з.п. ф-лы. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимоортогональным осям. Интерферометр содержит одночастотный лазер, коллиматор для ввода излучения в транспортное волокно, коллиматор, вводящий излучение в оптическую схему, акустооптический модулятор, формирующий опорное и измерительное плечи интерферометра, поляризационный светоделитель, позволяющий развести лучи на расстояние, достаточное для их независимого использования зеркалами, систему зеркал, которая расположена вокруг пьезоэлектрического стола, триппель-призмы, закрепленные на пьезоэлектрическом столе так, что их оси симметрии проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, фотоприемники, подключенные к соответствующим измерительным входам фазометра, а также генератор сдвиговой частоты, связанный с акустооптическим модулятором и опорным входом фазометра. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов оптической системы, уменьшение собственных шумов за счет уменьшения колебаний значений показателя преломления воздуха и уменьшения ошибки Аббе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх