RU2573182C1 - Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси - Google Patents
Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси Download PDFInfo
- Publication number
- RU2573182C1 RU2573182C1 RU2014154120/28A RU2014154120A RU2573182C1 RU 2573182 C1 RU2573182 C1 RU 2573182C1 RU 2014154120/28 A RU2014154120/28 A RU 2014154120/28A RU 2014154120 A RU2014154120 A RU 2014154120A RU 2573182 C1 RU2573182 C1 RU 2573182C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- distance
- lens
- optical axis
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
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.
Description
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
Claims (2)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014154120/28A RU2573182C1 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014154120/28A RU2573182C1 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2573182C1 true RU2573182C1 (ru) | 2016-01-20 |
Family
ID=55087130
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014154120/28A RU2573182C1 (ru) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2573182C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263279C2 (ru) * | 2002-03-04 | 2005-10-27 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | Способ интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей и система для его осуществления |
JP2010243379A (ja) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Nikon Corp | 平面形状測定装置および平面形状測定方法 |
RU147271U1 (ru) * | 2014-06-26 | 2014-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей |
-
2014
- 2014-12-30 RU RU2014154120/28A patent/RU2573182C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263279C2 (ru) * | 2002-03-04 | 2005-10-27 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | Способ интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей и система для его осуществления |
JP2010243379A (ja) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Nikon Corp | 平面形状測定装置および平面形状測定方法 |
RU147271U1 (ru) * | 2014-06-26 | 2014-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5882674B2 (ja) | 多波長干渉計、計測装置および計測方法 | |
CN106352789B (zh) | 瞬时相位偏移干涉仪 | |
KR20130069474A (ko) | 다파장 간섭계를 포함하는 계측 장치 | |
Nikitin et al. | Hartmannometer versus Fizeau Interferometer: advantages and drawbacks | |
CN111929036B (zh) | 双斐索腔动态短相干干涉测量装置及方法 | |
CN108474642B (zh) | 使用倾斜物光波和具有菲索干涉仪物镜的干涉仪 | |
Zhu et al. | 600-mm aperture simultaneous phase-shifting Fizeau interferometer | |
JP2005533244A (ja) | 光学分光装置、光学分光方法、光センサ、及びその使用方法 | |
Silin et al. | The design and characteristics of a 630-mm phase-shifting interferometer | |
CN104075655A (zh) | 一种使用旋转径向光栅的斐索型同步移相干涉测试装置 | |
CN107076618B (zh) | 波前传感器及用于确定若干光束之间存在的平移差和倾斜差的方法 | |
RU2573182C1 (ru) | Устройство для контроля параметров качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси | |
CN107631687A (zh) | 点源异位扩束同步移相斐索干涉仪及其测量方法 | |
Velghe et al. | Advanced wave-front sensing by quadri-wave lateral shearing interferometry | |
US20110299090A1 (en) | Real-time interferometer | |
CN110736543A (zh) | 光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法 | |
US20040109167A1 (en) | Etalon testing system and process | |
CN114396887A (zh) | 一种动态干涉仪及测量方法 | |
JP4613310B2 (ja) | 表面形状測定装置 | |
JP2014074620A (ja) | 計測装置及び計測方法 | |
EP1890105A1 (en) | Interferometer apparatus and interferometric method | |
US20240192060A1 (en) | Wave front sensor based on fourier filtering | |
De Zanet et al. | Interferometric Dynamic Measurements on Deployable Optics Based on Tape Springs | |
RU2491525C1 (ru) | Метод интерферометрического контроля на рабочей длине волны качества изображения и дисторсии оптических систем | |
JP2011237379A (ja) | 傾斜角度測定装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181231 |