RU2155932C1 - Device inspecting surfaces of optical elements - Google Patents
Device inspecting surfaces of optical elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2155932C1 RU2155932C1 RU99122113A RU99122113A RU2155932C1 RU 2155932 C1 RU2155932 C1 RU 2155932C1 RU 99122113 A RU99122113 A RU 99122113A RU 99122113 A RU99122113 A RU 99122113A RU 2155932 C1 RU2155932 C1 RU 2155932C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- beam splitter
- shadow
- mirror
- aperture
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а также к гелио-, свето- и контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения и контроля формы отражающих поверхностей оптическими методами, и может быть использовано для технологического и аттестационного измерения и контроля вогнутых оптических поверхностей элементов адаптивной оптики, телескопов, фацет гелиоконцентратора и т.д. типа сфероидов, параболоидов, эллипсоидов, гиперболоидов, асферических, например торических, зеркал и т.п. The present invention relates to optical instrumentation, as well as to solar, light and control equipment, in particular to devices for measuring and controlling the shape of reflective surfaces by optical methods, and can be used for technological and certification measurement and control of concave optical surfaces of elements adaptive optics, telescopes, facet of the solar concentrator, etc. such as spheroids, paraboloids, ellipsoids, hyperboloids, aspherical, for example toric, mirrors, etc.
В настоящее время все более широкое распространение получают такие экологически чистые источники энергии, как гелиоустановки различных типов. Это связано как со значительным подорожанием традиционных источников энергии, основанных на сжигании нефти, газа, угля и их продуктов, так и с возникающим при этом загрязнением окружающей среды. Поэтому проблема создания относительно дешевых и быстро изготавливаемых и при этом с высоким КПД фокусирующих оптических систем с криволинейной отражающей поверхностью встала достаточно остро. Currently, environmentally friendly energy sources such as solar power plants of various types are becoming more widespread. This is due both to the significant rise in price of traditional energy sources based on the burning of oil, gas, coal and their products, and to environmental pollution resulting from this. Therefore, the problem of creating relatively cheap and quickly manufactured and at the same time high-efficiency focusing optical systems with a curved reflective surface arose quite sharply.
Связано это с тем, что оптические системы гелиоустановок средней и высокой мощности обычно состоят из большого числа одинаковых крупногабаритных (до 1 м) вогнутых зеркал, предназначенных для концентрации солнечного излучения на окно преобразователя энергии. От качества зеркал концентратора во многом зависит КПД гелиоустановки. При создании крупногабаритных составных солнечных концентраторов возникают проблемы, связанные с необходимостью измерения формы и оценки качества поверхности их оптических элементов. В связи с этим разработка измерительных систем для измерения формы и оценки качества поверхности солнечных зеркал является существенной частью программ развития солнечных технологий. This is due to the fact that optical systems of solar installations of medium and high power usually consist of a large number of identical large-sized (up to 1 m) concave mirrors designed to concentrate solar radiation on the window of the energy converter. The efficiency of a solar installation largely depends on the quality of the mirrors of the concentrator. When creating large-sized composite solar concentrators, problems arise associated with the need to measure the shape and assess the surface quality of their optical elements. In this regard, the development of measuring systems for measuring the shape and assessing the quality of the surface of solar mirrors is an essential part of solar technology development programs.
Существующие системы для измерения формы и оценки качества поверхности солнечных зеркал, использующие, например, известные теневые методы контроля поверхностей оптических элементов, обычно достаточно трудоемки и достаточно длительны по времени, и их нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора. Existing systems for measuring the shape and assessing the quality of the surface of solar mirrors, using, for example, the well-known shadow methods for controlling the surfaces of optical elements, are usually quite laborious and quite long in time, and it is not practical to use them to measure the shape and control the optical quality of a large number (several hundred) relatively cheap and requiring fast-time manufacturing of the same type of cheap mirrors, for example, a composite solar concentrator.
Известно устройство для контроля поверхностей оптических элементов, содержащее источник излучения и последовательно расположенные по ходу световых лучей задающую диафрагму, полупрозрачную платину, анализирующую диафрагму и регистрирующий блок (М. кл. G 02 В 11/24, авт. свид. СССР N 977946, 1982). A device for monitoring the surfaces of optical elements, containing a radiation source and sequentially located along the path of the light rays defining a diaphragm, translucent platinum, analyzing the diaphragm and the recording unit (M. CL G 02 V 11/24, ed. Certificate of the USSR N 977946, 1982 )
Недостатком известного технического решения является трудоемкость и большая длительность обработки получаемых на таком устройстве результатов, в результате чего его нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров, контроль качества поверхности которых может носить лишь качественный характер в виде оценки знака и диапазона величин наблюдаемых локальных искажений поверхности, не претендуя на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которой отличается настоящее устройство. A disadvantage of the known technical solution is the complexity and the long processing time of the results obtained on such a device, as a result of which it is inappropriate to use to measure the shape and control the optical quality of a large number (several hundreds) of relatively cheap and requiring fast-time manufacturing of the same type of cheap mirrors, for example, composite solar concentrator, characterized by a relatively low optical quality, and therefore, a sufficiently large effective size m of the focal spot, usually a few millimeters, the surface quality control of which can only be of a qualitative nature in the form of an assessment of the sign and range of the observed local surface distortions, without claiming to quantitatively measure the distortions of high-quality optical surfaces in order to construct a normal deviation map that distinguishes this device .
Кроме того, контроль формы и оптического качества поверхности зеркал в известном устройстве является неполным, так как не позволяет оценивать интегральные энергетические характеристики поверхности зеркала. In addition, the control of the shape and optical quality of the surface of the mirrors in the known device is incomplete, since it does not allow to evaluate the integrated energy characteristics of the surface of the mirror.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для контроля поверхностей оптических элементов, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу лучей первый светоделитель, фокусирующий объектив, первую диафрагму, объектив, передний фокус которого совмещен с первой диафрагмой, второй светоделитель и расположенный в выходном пучке блок регистрации, при этом по ходу отраженных первым светоделителем лучей размещены второй фокусирующий объектив с установленной в его заднем фокусе второй диафрагмой и контролируемый оптический элемент (М. кл. G 02 В 11/24, авт. свид. СССР N 1712778, 1992). The closest technical solution (prototype) is a device for monitoring the surfaces of optical elements, containing a radiation source and a first beam splitter, a focusing lens, a first aperture, a lens whose front focus is aligned with the first aperture, a second beam splitter and located in the output beam the registration unit, while in the direction of the rays reflected by the first beam splitter, a second focusing lens is placed with a second diaphragm installed in its rear focus Ragma and controlled optical element (M. class. G 02 B 11/24, ed. certificate. USSR N 1712778, 1992).
Недостатком прототипа является сложность его оптической схемы, а также трудоемкость и большая длительность обработки получаемых на таком устройстве результатов, в результате чего его нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров, контроль качества поверхности которых может носить лишь качественный характер в виде оценки знака и диапазона величин наблюдаемых локальных искажений поверхности, не претендуя на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которой отличается настоящее устройство. The disadvantage of the prototype is the complexity of its optical design, as well as the complexity and length of processing of the results obtained on such a device, as a result of which it is inappropriate to use to measure the shape and control the optical quality of a large number (several hundred) of relatively cheap and requiring fast production time of the same type cheap mirrors, for example, a composite solar concentrator, characterized by a relatively low optical quality, and therefore, a sufficiently large eff The objective size of the focal spot, usually a few millimeters, the surface quality of which can only be of a qualitative nature in the form of an estimate of the sign and range of the observed local surface distortions, without claiming to quantitatively measure the distortions of high-quality optical surfaces in order to construct a normal deviation map, which distinguishes the present device.
Кроме того, контроль формы и оптического качества поверхности зеркал в прототипе является неполным, так как не позволяет оценивать интегральные энергетические характеристики поверхности зеркала. In addition, the control of the shape and optical quality of the surface of the mirrors in the prototype is incomplete, since it does not allow to evaluate the integrated energy characteristics of the surface of the mirror.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения дополнительного контроля поверхности зеркала посредством оценки его интегральных энергетических характеристик. A new achievable technical result of the present invention is to expand the functionality of the device by providing additional control of the surface of the mirror by evaluating its integrated energy characteristics.
Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля поверхностей оптических элементов, содержащем источник излучения и последовательно установленные по ходу лучей контролируемый оптический элемент и оптически сопряженный с ним светоделитель, последовательно установленные первая диафрагма и блок регистрации, вторая диафрагма, первый и второй объективы, в отличие от прототипа, в него введены второй блок регистрации и полупрозрачный экран, диафрагмы выполнены в виде системы по крайней мере двух теневых диафрагм, размещенных аксиально симметрично вдоль первой оптической оси, формируемой ходом отраженной от светоделителя части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента, в фокальной области последнего между светоделителем и первым блоком регистрации, при этом вторая диафрагма размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси, первый и второй объективы выполнены в виде оптической системы, причем полупрозрачный экран, оптическая система и второй блок регистрации установлены последовательно на второй оптической оси, формируемой ходом прошедшей через светоделитель части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента. A new technical result is achieved in that in a device for monitoring the surfaces of optical elements, containing a radiation source and a controlled optical element and an optically coupled beam splitter sequentially installed along the rays, a first diaphragm and a recording unit, a second diaphragm, a first and second lenses, unlike the prototype, a second registration unit and a translucent screen are introduced into it, the diaphragms are made in the form of a system of at least two shadow diaphragms, placed axially symmetrically along the first optical axis formed by the part of the rays reflected from the beam splitter reflected from the controlled optical element in the focal region of the latter between the beam splitter and the first recording unit, while the second diaphragm is placed with the possibility of its removal from the first optical axis, the first and second the lenses are made in the form of an optical system, moreover, a translucent screen, an optical system and a second registration unit are mounted sequentially on the second optical axis, forming uemoy course of passing through the beam splitter part beams reflected from the controlled optical element.
Каждая теневая диафрагма может быть выполнена в виде непрозрачного экрана круговой формы с диаметром, меньшим эффективного размера фокального пятна от контролируемого оптического элемента. Each shadow aperture can be made in the form of an opaque screen of circular shape with a diameter smaller than the effective size of the focal spot from the controlled optical element.
Диаметр непрозрачного экрана может быть выполнен с размером, составляющим 0,9 от эффективного размера фокального пятна. The diameter of the opaque screen can be made with a size of 0.9 of the effective size of the focal spot.
Полупрозрачный экран может быть выполнен с системой калибровочных отверстий для определения масштаба видеоизображения. The translucent screen can be made with a system of calibration holes for determining the scale of the video image.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для контроля поверхностей оптических элементов (солнечных зеркал). In FIG. 1 is a schematic diagram of a device for monitoring the surfaces of optical elements (solar mirrors).
Устройство для контроля поверхностей оптических элементов содержит источник излучения (на схеме не показан), последовательно установленные по ходу лучей контролируемый оптический элемент 1 и оптически сопряженный с ним светоделитель 2, систему 3 теневых диафрагм, каждая в виде непрозрачного экрана 4,5 круговой формы с диаметром, меньшим эффективного размера фокального пятна от контролируемого оптического элемента 1, и размещенных аксиально симметрично вдоль первой оптической оси, формируемой ходом отраженной от светоделителя 2 части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента 1, в фокальной области последнего между, светоделителем 2 и первым блоком регистрации 6, при этом вторая диафрагма 4 размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси, причем полупрозрачный экран 7 с системой калибровочных отверстий 8 для определения масштаба видеоизображения, оптическая система 9 в виде первого и второго объективов 10, 11 и второй блок регистрации 12 установлены последовательно на второй оптической оси, формируемой ходом прошедшей через светоделитель 2 части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента 1. A device for controlling the surfaces of optical elements contains a radiation source (not shown in the diagram), a controlled optical element 1 and a beam splitter 2 optically coupled to it, a system of 3 shadow diaphragms, each in the form of an opaque screen 4.5 of circular shape with a diameter smaller than the effective size of the focal spot from the controlled optical element 1, and placed axially symmetrically along the first optical axis formed by the part of the beam reflected from the beam splitter 2 reflected from the controlled optical element 1 in the focal region of the latter between the beam splitter 2 and the first registration unit 6, while the second diaphragm 4 is placed with the possibility of its removal from the first optical axis, moreover, a translucent screen 7 with a system of calibration holes 8 for determining the scale video images, the optical system 9 in the form of the first and second lenses 10, 11 and the second recording unit 12 are mounted sequentially on the second optical axis formed by the passage of the beam passing through the beam splitter 2 th reflected from the controlled optical element 1.
Устройство для контроля поверхностей оптических элементов работает следующим образом. A device for controlling the surfaces of optical elements operates as follows.
В предложенном техническом решении было разработано устройство для контроля поверхностей оптических элементов, реализующее упрощенный теневой метод с использованием системы теневых диафрагм 4,5, размещенных аксиально симметрично вдоль оптической оси в фокальной области от контролируемого оптического элемента 1 (зеркала), который позволяет оценить лишь знак и диапазон величин наблюдаемых локальных искажений поверхности. In the proposed technical solution, a device was developed for monitoring the surfaces of optical elements, which implements a simplified shadow method using a system of shadow diaphragms 4.5 placed axially symmetrically along the optical axis in the focal region from the controlled optical element 1 (mirror), which allows only the sign and range of values of observed local surface distortions.
Основная диафрагма 5 размещена в фокальной плоскости контролируемого оптического элемента 1 (зеркала). Дополнительная диафрагма 4 размещена между фокальной плоскостью контролируемого оптического элемента 1 (зеркала) и полупрозрачным экраном 7. Расстояние между диафрагмами 4,5 оценивается для каждого конкретного фокального расстояния оптического элемента 1 (зеркала). Размеры диафрагм равны. Диафрагма 4 размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси. The main diaphragm 5 is placed in the focal plane of the controlled optical element 1 (mirror). An additional aperture 4 is placed between the focal plane of the monitored optical element 1 (mirror) and a translucent screen 7. The distance between the diaphragms 4.5 is estimated for each specific focal distance of the optical element 1 (mirror). Aperture sizes are equal. The diaphragm 4 is placed with the possibility of its removal from the first optical axis.
Применение кругового экрана вместо классической теневой диафрагмы в виде ножа Фуко является более эффективным для солнечных зеркал, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров. The use of a circular screen instead of the classic shadow aperture in the form of a Foucault knife is more effective for solar mirrors, which are characterized by a relatively low optical quality, and therefore, a sufficiently large effective focal spot size, usually a few millimeters.
Реализуемая модификация теневого метода с круговой диафрагмой является достаточно простой, носит качественный характер и не претендует на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которыми отличаются более сложные и трудоемкие модификации. The implemented modification of the shadow method with a circular aperture is quite simple, is of a qualitative nature and does not pretend to quantify distortions of high-quality optical surfaces in order to build a map of normal deviations, which are more complex and time-consuming modifications.
При построении оптической схемы устройства для контроля поверхностей оптических элементов диаметр 2 rd непрозрачного экрана (диафрагмы 5) круговой формы выбирают немного меньше эффективного размера 2 rf фокального пятна. При этом через указанный экран (диафрагмы 5) проходит лишь часть отраженных от контролируемого оптического элемента 1, например вогнутого сферического зеркала, лучей с абсолютной величиной угловых ошибок αd≥rd/f, где f - фокусное расстояние исследуемого зеркала.When constructing the optical circuit of a device for monitoring the surfaces of optical elements, the diameter 2 r d of an opaque screen (aperture 5) of circular shape is chosen slightly less than the effective size 2 r f of the focal spot. At the same time, only a part of the rays reflected from the controlled optical element 1, for example, a concave spherical mirror, of rays with an absolute value of angular errors α d ≥r d / f, where f is the focal length of the studied mirror, passes through this screen (aperture 5).
В этом случае нижний предел угловых ошибок отражающей поверхности исследуемого зеркала составляет величину αdm≥αd/2.
За верхний предел угловых ошибок отражающей поверхности контролируемого зеркала можно принять величину αfm= rf/2f, где rf - эффективный радиус фокального пятна. Можно считать, что rf≈ D(0,9)/2, где D(0,9) - эффективный диаметр фокального пятна, через который проходит 90% энергии излучения. Величину D(0,9) определяют, например, методом фокального пятна. Таким образом, расчетный диапазон угловых ошибок зеркала составляет rd/2f<α<D(0,9)/4f.
Локальные отклонения формы отражающей поверхности зеркала от исходной (заданной) могут быть разных знаков (бугор или впадина), что приводит к соответствующему изменению хода лучей. Так, лучи отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны пересекают оптическую ось на расстояниях l1 < f, т.е. в точках, расположенных от зеркала ближе фокальной плоскости, а лучи, отраженные от локальных искажений поверхности с большим радиусом кривизны, пересекают оптическую ось на расстояниях l2 > f, т. е. в точках, расположенных от зеркала дальше фокальной плоскости. Для выделения отраженных лучей одного знака в рассматриваемой модификации теневого метода применяют дополнительную (вторую) диафрагму в виде непрозрачного экрана (диафрагмы 4) круговой формы с радиусом ra, который размещают на расстоянии la ближе к зеркалу аксиально симметрично оптической оси. Дополнительная (вторая) теневая диафрагма 4 отсекала лучи, отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны, которые пересекают оптическую ось на расстояниях l1 < f.In this case, the lower limit of the angular errors of the reflecting surface of the studied mirror is α dm ≥ α d / 2.
For the upper limit of the angular errors of the reflecting surface of the controlled mirror, we can take the value α fm = r f / 2f, where r f is the effective radius of the focal spot. We can assume that r f ≈ D (0.9) / 2, where D (0.9) is the effective diameter of the focal spot, through which 90% of the radiation energy passes. The value of D (0.9) is determined, for example, by the focal spot method. Thus, the calculated range of angular errors of the mirror is r d / 2f <α <D (0.9) / 4f.
Local deviations of the shape of the reflecting surface of the mirror from the original (given) can be of different signs (tubercle or depression), which leads to a corresponding change in the course of the rays. So, rays reflected from local distortions of a surface with a smaller radius of curvature intersect the optical axis at distances l 1 <f, i.e. at points located closer to the focal plane from the mirror, and rays reflected from local surface distortions with a large radius of curvature intersect the optical axis at distances l 2 > f, i.e., at points located farther from the mirror. To highlight the reflected rays of the same sign in the modification of the shadow method under consideration, an additional (second) aperture is used in the form of an opaque screen (aperture 4) of circular shape with a radius r a , which is placed axially symmetrically to the optical axis at a distance l a closer to the mirror. An additional (second) shadow aperture 4 cut off the rays reflected from local surface distortions with a smaller radius of curvature that intersect the optical axis at distances l 1 <f.
Радиус ra дополнительной (второй) теневой диафрагмы 4 выбирают примерно равным rd, а расстояние la для зеркала диаметром 2a выбирают примерно равным половине эффективной длины фокальной области, т.е. la ≈ rf f/a. На практике размеры 2ra дополнительной (второй) теневой диафрагмы 4 и ее расстояние la от фокальной плоскости подбирают с учетом конкретной теневой картины. Для увеличения вероятности перехвата всех лучей отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны возможно применение двух или большего числа дополнительных диафрагм, последовательно расположенных вдоль оптической оси. Однако подобная оптическая схема требует более трудоемкой настройки.The radius r a of the additional (second) shadow aperture 4 is chosen to be approximately equal to r d , and the distance l a for a mirror of diameter 2a is chosen to be approximately equal to half the effective length of the focal region, i.e. l a ≈ r f f / a. In practice, the dimensions 2r a of the additional (second) shadow aperture 4 and its distance l a from the focal plane are selected taking into account the specific shadow picture. To increase the probability of interception of all rays reflected from local distortions of the surface with a smaller radius of curvature, it is possible to use two or more additional diaphragms sequentially located along the optical axis. However, such an optical design requires more laborious tuning.
Измерения проводят на оптической трассе длиной до 10 м. В качестве источника излучения используют, например, оптическую систему лазерного интерферометра фирмы Zygo, США, с расширителем (на схеме не показан) для формирования высококачественного плоскопараллельного пучка диаметром 460 мм с равномерным распределением интенсивности по всей поверхности оптического элемента 1 (зеркала). Отраженный от всей поверхности контролируемого зеркала пучок попадает на светоделитель (полупрозрачный плоский наклонный элемент) 2, на котором происходит разделение его на две части. Measurements are carried out on an optical path up to 10 m in length. For example, an optical system of a laser interferometer from Zygo, USA, with an expander (not shown) is used as a radiation source to form a high-quality plane-parallel beam with a diameter of 460 mm with a uniform intensity distribution over the entire surface optical element 1 (mirror). The beam reflected from the entire surface of the controlled mirror enters the beam splitter (translucent flat inclined element) 2, on which it is divided into two parts.
Проходящая часть пучка попадала на полупрозрачный экран 7. Изображение фокального пятна на тыльной стороне экрана 7 наблюдают с помощью оптической системы 9 вторым блоком регистрации 12. В качестве второго блока регистрации 12 используют, например, матричный фотоприемник в виде видеокамеры 13 типа WV-CD50 фирмы Panasonic, США, с числом элементов, равным 500х582. Сигнал с видеокамеры поступал на видеомонитор 14 и на компьютер 15 с системой обработки видеоизображений типа PIP фирмы MATROX, Канада. The passing part of the beam fell onto a translucent screen 7. The image of the focal spot on the back of the screen 7 is observed using the optical system 9 by the second recording unit 12. As the second recording unit 12, for example, an array photodetector in the form of a Panasonic WV-CD50 type video camera 13 is used , USA, with the number of elements equal to 500x582. The signal from the video camera was fed to a video monitor 14 and to a computer 15 with a PIP-type video processing system from MATROX, Canada.
Полупрозрачный экран 7 предназначен для получения изображения фокального пятна. The translucent screen 7 is intended to obtain a focal spot image.
Оптическая система 9, состоящая из двух объективов 10, 11, предназначена для переноса увеличенного изображения фокального пятна с полупрозрачного экрана 7 на матрицу фотоприемников видеокамеры 13, входящей в блок регистрации 12, и позволяет наблюдать фокальные пятна размером от 0,5 до 5 мм. The optical system 9, consisting of two lenses 10, 11, is designed to transfer an enlarged image of the focal spot from a translucent screen 7 to the photodetector array of the video camera 13 included in the recording unit 12, and allows you to observe focal spots ranging in size from 0.5 to 5 mm.
В качестве объективов 10, 11 оптической системы 9 используются, например, объектив "Гелиос" от фотоаппарата "Зенит" и объектив видеокамеры 13 типа WV-CD50 фирмы "Panasonic" соответственно. Размещение объективов 10, 11 друг относительно друга соответствует так называемой системе размещения "face to face". As the lenses 10, 11 of the optical system 9 are used, for example, a Helios lens from a Zenith camera and a lens of a Panasonic WV-CD50 type video camera 13, respectively. The placement of the lenses 10, 11 relative to each other corresponds to the so-called face-to-face placement system.
Для определения масштаба видеоизображения на мониторе 14 видеокамеры 13 применяют, например, систему калибровочных отверстий 8 диаметром около 0,1 мм, выполненную на полупрозрачном экране 7 на расстояниях 1 мм друг от друга, которая наблюдалась одновременно с фокальным пятном на видеомониторе и дисплее. В принципе возможно использование и иной системы калибровки, в том числе и непосредственно на полупрозрачном экране 7. To determine the scale of the video image on the monitor 14 of the video camera 13, for example, a system of calibration holes 8 with a diameter of about 0.1 mm is used, made on a translucent screen 7 at a distance of 1 mm from each other, which was observed simultaneously with the focal spot on the video monitor and display. In principle, it is possible to use another calibration system, including directly on the translucent screen 7.
Отраженная от светоделителя 2 часть пучка попадает на описанные выше теневые диафрагмы 4,5, а часть рассеянных лучей после прохождения над краем круговой диафрагмы в фокальной плоскости попадает в объектив видеокамеры первого блока регистрации 6, настроенной на изображение исследуемого зеркала. Part of the beam reflected from beam splitter 2 falls onto the shadow aperture 4,5 described above, and part of the scattered rays, after passing over the edge of the circular aperture in the focal plane, enters the camera lens of the first recording unit 6, tuned to the image of the studied mirror.
Изображение зеркала в рассеянных лучах наблюдают, например, матричным фотоприемником, в качестве которого используют ту же видеокамеру, что и во втором блоке регистрации 12. Сигнал с видеокамеры поступает на указанные выше видеомонитор 14 и на компьютер 15 с системой обработки видеоизображений. The image of the mirror in the scattered rays is observed, for example, by a matrix photodetector, which uses the same video camera as in the second recording unit 12. The signal from the video camera is fed to the above video monitor 14 and to a computer 15 with a video processing system.
С помощью специальной программы изображение теневой картины зеркала оцифровывают, записывают в буфер памяти системы обработки видеоизображений и в файл с растровым форматом. Изображение, записанное в буфере памяти системы обработки изображений, наблюдают на дополнительном дисплее 16. Using a special program, the image of the shadow picture of the mirror is digitized, recorded in the memory buffer of the video processing system and in a file with a raster format. The image recorded in the memory buffer of the image processing system is observed on the secondary display 16.
Дальнейшую обработку видеоизображений фокального пятна проводят с применением специально разработанной программы, которая позволяет с помощью графического редактора выбрать требуемый прямоугольный фрагмент изображения фокального пятна (полигон), определить его энергетический центр и вычислить радиальное распределение энергии относительно данного центра с точностью до 2%. Программа позволяет оценить для заданных значений энергии (0,9 и др.) эффективные диаметры фокального пятна с точностью до 0,1 мм. Информацию выводят на дисплей 16 компьютера 15 в графическом и цифровом виде или записывают в электронный файл в стандартном формате. Further processing of video images of the focal spot is carried out using a specially designed program that allows you to select the desired rectangular fragment of the focal spot image (polygon) using a graphical editor, determine its energy center and calculate the radial energy distribution relative to this center with an accuracy of 2%. The program allows you to evaluate for given values of energy (0.9, etc.) the effective diameters of the focal spot with an accuracy of 0.1 mm. Information is displayed on the display 16 of the computer 15 in graphical and digital form or recorded in an electronic file in a standard format.
Суммарную энергию E(1)в фокальном пятне вычисляют путем сложения значений яркости всех точек выбранного фрагмента изображения. Энергетический центр фокального пятна определяют с помощью разработанного алгоритма, основанного на последовательном разбиении полигона на две прямоугольные области сначала вдоль вертикальной оси Y, а затем - вдоль горизонтальной оси X, с последующим вычислением и сравнением суммарной яркости всех точек в указанных областях. Затем в двух взаимно-перпендикулярных сечениях, проходящих через вычисленный энергетический центр, строят энергетические профили фокального пятна. The total energy E (1) in the focal spot is calculated by adding the brightness values of all points of the selected image fragment. The energy center of the focal spot is determined using the developed algorithm based on the sequential division of the polygon into two rectangular areas, first along the vertical axis Y, and then along the horizontal axis X, followed by calculation and comparison of the total brightness of all points in these areas. Then, in two mutually perpendicular sections passing through the calculated energy center, the energy profiles of the focal spot are built.
Для определения относительного радиального распределения энергии q(R) = E(R)/E(1) в программе проводят последовательное вычисление суммарной яркости E(R) всех точек в круговых зонах относительно энергетического центра, радиус R которых увеличивается с заданным шагом. Результаты расчетов выводят на дисплей в виде графика q(R), а также в текстовом виде. При совпадении расчетной величины q(R) с одним из заданных значений q(R) = 0,9 и др. проводят окружность с данным R относительно энергетического центра, а величина D ее диаметра выводится на экран дисплея. To determine the relative radial energy distribution q (R) = E (R) / E (1), the program sequentially calculates the total brightness E (R) of all points in circular zones relative to the energy center, whose radius R increases with a given step. The calculation results are displayed on the graph q (R), as well as in text form. If the calculated value q (R) coincides with one of the specified values q (R) = 0.9, etc., a circle with a given R is drawn relative to the energy center, and the value D of its diameter is displayed on the display screen.
Значения яркости точек выбранного фрагмента изображения на экране дисплея передаются 16 псевдоцветами из палитры графического адаптера. Для вывода информации на графический принтер проводят перевод изображения в другую палитру из 6 псевдоцветов, указанных на шкале около полигона. The brightness values of the points of the selected image fragment on the display screen are transmitted by 16 pseudo colors from the palette of the graphics adapter. To display information on a graphic printer, the image is transferred to another palette of 6 pseudo colors indicated on a scale near the polygon.
Обработку теневых картин проводят с применением специально разработанной программы, которая позволяет с помощью графического редактора выбирать требуемый прямоугольный фрагмент изображения (полигон), перекрашивать в другой цвет и производить графическое вычитание или сложение двух теневых картин. Processing of shadow pictures is carried out using a specially designed program that allows you to select the desired rectangular image fragment (polygon) using a graphic editor, repaint it in a different color, and perform graphical subtraction or addition of two shadow pictures.
Методика построения теневой картины исследуемого зеркала состоит в следующем. Сначала регистрируют описанным выше способом первую теневую картину при наличии лишь одной теневой диафрагмы 5 в фокальной плоскости, которая фиксирует все рассеянные лучи (обоих знаков), отраженные от зеркала. После указанной выше обработки эту картину перекрашивают в заданный цвет. Затем регистрируют вторую теневую картину 2 с двумя теневыми диафрагмами 4, 5, которая фиксирует лишь рассеянные лучи одного знака, пересекающие оптическую ось на расстояниях 1 > f, т.е. в точках, расположенных от зеркала дальше фокальной плоскости. После указанной выше обработки эту вторую картину перекрашивают в другой заданный цвет. С помощью указанной выше программы производят графическое вычитание второй картины из первой. Полученное в результате этой операции изображение представляет собой третью теневую картину зеркала в рассеянных лучах другого знака, пересекающих оптическую ось на расстояниях 1 < f, т.е. в точках, расположенных от зеркала ближе фокальной плоскости. Эту третью картину перекрашивают в третий заданный цвет. Затем с помощью той же программы проводят графическое сложение первой и третьей картин. Полученное таким образом компьютерное изображение представляет собой теневую картину исследуемого зеркала, ошибки формы которого изображены различными цветами. The technique for constructing a shadow picture of the studied mirror is as follows. First, the first shadow picture is recorded in the manner described above in the presence of only one shadow aperture 5 in the focal plane, which captures all the scattered rays (of both signs) reflected from the mirror. After the above processing, this picture is repainted in the specified color. Then, the second shadow picture 2 is recorded with two shadow apertures 4, 5, which captures only scattered rays of the same sign, intersecting the optical axis at distances 1> f, i.e. at points located farther from the mirror than the focal plane. After the above processing, this second picture is repainted in a different specified color. Using the above program, graphically subtract the second picture from the first. The image obtained as a result of this operation is the third shadow picture of the mirror in the scattered rays of a different sign, intersecting the optical axis at distances 1 <f, i.e. at points located closer to the focal plane from the mirror. This third picture is repainted in the third preset color. Then, using the same program, a graphical addition of the first and third paintings is carried out. The computer image thus obtained is a shadow picture of the mirror under study, the shape errors of which are shown in different colors.
На фиг. 2 представлены результаты контроля описанным выше методом гексагонального металлического зеркала размером 416 мм, толщиной 13 мм, предназначенного для работы в составе солнечного концентратора. Оптическая поверхность зеркала выполнена вогнутой сферической с фокусным расстоянием 8120 мм с использованием метода алмазного точения. В схеме контроля, представленной на фиг. 2. применялись две теневые диафрагмы диаметром 6 мм, выполненные из непрозрачного материала и прикрепленные к плоским стеклянным пластинам. Основная диафрагма размещалась в фокальной плоскости, дополнительная - ближе к зеркалу на расстоянии 200 мм от основной. В левом верхнем углу фиг. 2 представлена энергетическая картина фокального пятна зеркала, на которой отмечен его энергетический центр и эффективный диаметр D(0,9) = 7,7 мм, через который проходит 90% энергии излучения, в центральной части фиг. 2 представлена теневая картина исследуемого зеркала, полученная с использованием предлагаемого технического решения, на которой искажения поверхности разных знаков выделены различными цветами: вогнутые - зеленым, выпуклые - коричневым. Как следует из теневой картины, искажения сферической формы поверхности наблюдаются в основном вблизи краев зеркала, что, по-видимому, объясняется механическими напряжениями в материале зеркала, обусловленные его гексагональной формой. На теневой картине отчетливо наблюдаются локальные искажения поверхности, обусловленные деформациями зеркала в местах его креплений к юстировочному устройству. Под теневой картиной приведена оценка диапазона угловых ошибок поверхности, равная 0,37 < α < 0,5 мрад, полученная с использованием указанных выше соотношений. In FIG. 2 presents the results of the control described above by the method of hexagonal metal mirrors of 416 mm in size, 13 mm thick, designed to operate as part of a solar concentrator. The optical surface of the mirror is concave spherical with a focal length of 8120 mm using the diamond turning method. In the control circuit shown in FIG. 2. Two shadow diaphragms with a diameter of 6 mm were used, made of an opaque material and attached to flat glass plates. The main aperture was located in the focal plane, the additional aperture was closer to the mirror at a distance of 200 mm from the main one. In the upper left corner of FIG. 2 shows the energy picture of the focal spot of the mirror, which shows its energy center and effective diameter D (0.9) = 7.7 mm, through which 90% of the radiation energy passes, in the central part of FIG. 2 shows a shadow picture of the studied mirror, obtained using the proposed technical solution, in which surface distortions of different signs are highlighted in different colors: concave - green, convex - brown. As follows from the shadow picture, distortions of the spherical shape of the surface are observed mainly near the edges of the mirror, which is apparently due to mechanical stresses in the material of the mirror due to its hexagonal shape. In the shadow picture, local distortions of the surface are clearly observed due to deformations of the mirror in the places of its attachment to the alignment device. Below the shadow picture is an estimate of the range of angular errors of the surface, equal to 0.37 <α <0.5 mrad, obtained using the above relations.
В отличие от теневого метода, используемого в известных технических решениях и позволяющего изучать только величину и размещение локальных искажений поверхности контролируемого оптического элемента 1, предложенное техническое решение позволяет оценить также и его интегральные энергетические характеристики, т. е. качество контролируемого оптического элемента 1 путем измерения его суммарных угловых искажений поверхности по рассеянию в фокальном пятне. Unlike the shadow method used in known technical solutions and which allows one to study only the magnitude and location of local distortions of the surface of the controlled optical element 1, the proposed technical solution also allows one to evaluate its integral energy characteristics, i.e., the quality of the controlled optical element 1 by measuring it total angular distortion of the surface by scattering in the focal spot.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:
1. Расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения дополнительного контроля поверхности зеркала посредством оценки его интегральных энергетических характеристик.Based on the foregoing, a new achievable technical result of the invention is:
1. The expansion of the functionality of the device by providing additional control of the surface of the mirror by evaluating its integrated energy characteristics.
2. Обеспечение возможности более полного контроля солнечных зеркал как в виде измерения распределения энергии в их фокальной плоскости, так и в виде оценки величины и размещения локальных искажений поверхности контролируемого зеркала с использованием теневого метода, что позволяет более полно оценить качество исследуемого зеркала с меньшими затратами. 2. Providing the possibility of more complete control of solar mirrors, both in the form of measuring the energy distribution in their focal plane, and in the form of estimating the magnitude and location of local distortions of the surface of the controlled mirror using the shadow method, which allows a more complete assessment of the quality of the studied mirror at a lower cost.
3. С учетом большого количества однотипных зеркал в составных солнечных концентраторах (несколько сотен) предложен упрощенный теневой метод с использованием системы теневых диафрагм, позволяющий оценить лишь знак и диапазон величин наблюдаемых локальных искажений поверхности. 3. Given the large number of mirrors of the same type in composite solar concentrators (several hundred), a simplified shadow method using a system of shadow diaphragms is proposed, which allows only the sign and range of the observed local surface distortions to be estimated.
В настоящее время в ГП "НПО АСТРОФИЗИКА" в соответствии с предложенным выше техническим решением выпущена конструкторская документация на устройство для контроля поверхностей оптических элементов и изготовлена его оптическая блок-схема. Currently, in accordance with the technical solution proposed above, the NPO ASTROPHYSICS SE has issued design documentation for a device for monitoring the surfaces of optical elements and made its optical block diagram.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99122113A RU2155932C1 (en) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | Device inspecting surfaces of optical elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99122113A RU2155932C1 (en) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | Device inspecting surfaces of optical elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2155932C1 true RU2155932C1 (en) | 2000-09-10 |
Family
ID=20226070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99122113A RU2155932C1 (en) | 1999-10-21 | 1999-10-21 | Device inspecting surfaces of optical elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2155932C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451397C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-05-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver |
| RU2456746C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-07-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system with blade lighting |
| RU2612918C1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-13 | Николай Петрович Ларионов | Device for determining positions of defects on aspherical surface of optical part (versions) |
-
1999
- 1999-10-21 RU RU99122113A patent/RU2155932C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451397C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-05-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver |
| RU2456746C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-07-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system with blade lighting |
| RU2612918C1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-13 | Николай Петрович Ларионов | Device for determining positions of defects on aspherical surface of optical part (versions) |
| RU2612918C9 (en) * | 2015-09-04 | 2017-06-13 | Николай Петрович Ларионов | Device for determining positions of defects on aspherical surface of optical part (versions) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Arancibia-Bulnes et al. | A survey of methods for the evaluation of reflective solar concentrator optics | |
| CN101900691B (en) | Glass inspection systems | |
| EP0856728B1 (en) | Optical method and apparatus for detecting defects | |
| CN100370306C (en) | High precision light beam coaxiality adjusting method | |
| US5128550A (en) | Method of and an apparatus for testing large area panes for optical quality | |
| CN101210806B (en) | measuring method of angle deviation along azimuth axis direction and pitching angle deviation of laser emission axis and mechanical base level normal based on secondary light source | |
| KR102549661B1 (en) | Method and related optical device for measuring the curvature of a reflective surface | |
| KR20100119522A (en) | Method and apparatus for detecting defects in glass sheet | |
| CN110044931B (en) | Detection apparatus for curved surface glass surface and internal defect | |
| US6985231B2 (en) | Method and apparatus for measuring the optical quality of a reflective surface | |
| Chen et al. | Full-field chromatic confocal surface profilometry employing digital micromirror device correspondence for minimizing lateral cross talks | |
| Francini et al. | Evaluation of surface slope irregularity in linear parabolic solar collectors | |
| Maccari et al. | An optical profilometer for the characterisation of parabolic trough solar concentrators | |
| CN114964713A (en) | Schlieren experiment method for large-scale flow field visual imaging | |
| RU2155932C1 (en) | Device inspecting surfaces of optical elements | |
| Ghozeil et al. | Screen test for large mirrors | |
| CN109580182A (en) | Curved optical device refractive index measurement method and device based on Brewster's law | |
| JP3746433B2 (en) | Glass product manufacturing method and manufacturing apparatus | |
| GB2135448A (en) | Inspection apparatus and method | |
| Philbert et al. | Shadowgraph and schlieren | |
| CN103852809A (en) | Foundation F-P wind measuring interferometer | |
| US6069693A (en) | Process for inspecting bonding of a laser amplifier disc | |
| KR101881752B1 (en) | defect sensing module based on line-beam and defect sensing device using its arrays for detection of the defects on surface | |
| RU2152065C1 (en) | Method for checking of inner surface of chimney and device for its embodiment | |
| CN206208195U (en) | Interferometer for measuring large scale object |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091022 |