RU2710976C1 - Device with spaced arms for measuring the radius of curvature of concave optical parts - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to optical measuring systems. Device for measuring the radius of curvature of a concave optical spherical surface with spaced branches comprises a point source, an optical system of a measuring part, which includes a beam splitter and a wave front sensor. Device includes an additional beam-splitting element, by means of which the point source is carried outside the optical system of the measuring part, is located in front of the measuring part of the device and is aligned with the focus of the nozzle of the device. Additional beam-splitting element is located between the nozzle focus and the measured optical part and moves relative to the curvature center of the measured part together with the measuring part of the device.EFFECT: reduced error of measurement of radii of curvatures of concave optical parts.1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Техническое решение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности.The technical solution relates to developments in the field of measuring optical systems and can be used in quality control systems and other areas of the optical industry.

Уровень техникиState of the art

Задача измерения (определения) радиуса кривизны оптических поверхностей деталей больших размеров (крупногабаритной оптики) является достаточно важной и актуальной. Известны устройства измерения радиусов кривизн оптических деталей:The task of measuring (determining) the radius of curvature of the optical surfaces of large-sized parts (large-sized optics) is quite important and relevant. Known devices for measuring the radii of curvature of optical parts:

патент РФ RU 2623702 «Устройство и способ определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей на основе датчика волнового фронта» (МПК G01B 11/255 (2006.01), опубликовано 2017-06-28) иRF patent RU 2623702 “Device and method for determining the radius of curvature of large optical parts based on the wavefront sensor” (IPC G01B 11/255 (2006.01), published 2017-06-28) and

патент РФ RU 2667323 «Способ и устройство дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта» (МПК G01B 11/255 (2006.01), G01M 11/02 (2006.01), опубликовано 2018-09-18), в которых измерение радиуса кривизны происходит благодаря измерению положения изображения точечного источника, построенного измеряемой оптической деталью относительно измерительного устройства. Для этой цели выходной зрачок волоконного лазера проецируется оптической системой устройства в фокальную плоскость оптической насадки.RF patent RU 2667323 "Method and device for differential determination of the radius of curvature of large optical parts using a wavefront sensor" (IPC G01B 11/255 (2006.01), G01M 11/02 (2006.01), published on 2018-09-18), in which the measurement the radius of curvature occurs due to the measurement of the position of the image of a point source constructed by the measured optical part relative to the measuring device. For this purpose, the exit pupil of the fiber laser is projected by the optical system of the device into the focal plane of the optical nozzle.

Однако указанные устройства имеют существенный недостаток.However, these devices have a significant drawback.

Поскольку проекция точечного источника, которая совмещается с центром кривизны измеряемого зеркала, является изображением центра выходного зрачка волоконного лазера через оптическую систему и находится на оси отраженного от этого зеркала излучения (в обратном ходе), то вследствие этого возникает большое рассогласование между точкой максимальной концентрации энергии и точкой, где радиус кривизны волнового фронта минимален (т.е. световой пучок не является гомоцентрическим). В силу же особенностей работы датчиков волнового фронта (ДВФ) и на основании приведенной в вышеуказанных патентах схемы работы прибора, на ДВФ плоский волновой фронт будет регистрироваться при совмещении фокуса насадки прибора с точкой, где радиус кривизны волнового фронта будет минимален, что приводит к погрешности определения начального положения устройства относительно измеряемого зеркала и, следовательно, к погрешности измерения радиуса кривизны контролируемой детали.Since the projection of a point source, which is aligned with the center of curvature of the measured mirror, is an image of the center of the exit pupil of the fiber laser through the optical system and is located on the axis of the radiation reflected from this mirror (in the reverse direction), this results in a large mismatch between the point of maximum energy concentration and the point where the radius of curvature of the wavefront is minimal (i.e., the light beam is not homocentric). Owing to the specifics of the operation of the wavefront sensors (DVF) and on the basis of the device operation scheme given in the above patents, a flat wavefront will be recorded on the DVF when the nozzle focus is aligned with the point where the radius of curvature of the wavefront is minimal, which leads to an error in the determination the initial position of the device relative to the measured mirror and, therefore, to the measurement error of the radius of curvature of the controlled part.

Величина описанного рассогласования зависит от характеристик используемого лазера, конструктивных параметров оптической системы устройства, качества изготовления оптических элементов и в большой степени от точности юстировки устройства. Поэтому заранее рассчитать его не представляется возможным.The magnitude of the described mismatch depends on the characteristics of the laser used, the design parameters of the optical system of the device, the manufacturing quality of the optical elements, and to a large extent on the accuracy of the alignment of the device. Therefore, it is not possible to calculate it in advance.

Такое рассогласование не является постоянной величиной и может зависеть от величины перемещения фокуса насадки от центра кривизны измеряемой оптической детали, что приводит к увеличению погрешности измерения радиусов кривизн оптических деталей.Such a mismatch is not a constant value and may depend on the magnitude of the displacement of the focus of the nozzle from the center of curvature of the measured optical part, which leads to an increase in the error in measuring the radii of curvature of the optical parts.

Этот принципиальный для указанных устройств недостаток можно устранить тем, что в приборе измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей необходимо разнести осветительную и измерительную ветви. Преимуществом по сравнению с указанными устройствами является то обстоятельство, что в устройстве с разнесенными ветвями в центр кривизны измеряемой оптической детали помещается сам точечный источник, а не его изображение, благодаря чему становится возможным существенно уменьшить указанное рассогласование и повысить точность измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей.This fundamental disadvantage for these devices can be eliminated by the fact that in the device for measuring the radii of curvature of concave optical parts, it is necessary to separate the lighting and measuring branches. An advantage over these devices is the fact that in a device with spaced branches, the point source rather than its image is placed in the center of curvature of the measured optical part, which makes it possible to significantly reduce this mismatch and increase the accuracy of measuring the radii of curvature of concave optical parts.

В качестве прототипа возьмем устройство, описанное в патенте РФ RU 2667323, где в центр кривизны измеряемой оптической детали в начальном положении проецируется изображение точечного источника (волоконного лазера) с помощью оптической системы устройства.As a prototype, we take the device described in the patent of the Russian Federation RU 2667323, where the image of a point source (fiber laser) is projected into the center of curvature of the measured optical part in the initial position using the device’s optical system.

Ограничением этого устройства является наличие рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, положение которого измеряет устройство, вследствие проецирования точечного источника оптической системой.A limitation of this device is the presence of a mismatch between the point of maximum energy concentration and the center of curvature of the wavefront, the position of which the device measures, due to the projection of a point source by the optical system.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Таким образом, задачей изобретения устройства можно признать возможность уменьшения погрешности измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей путем устранения рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, характерного для прототипного устройства.Thus, the object of the invention of the device can be recognized as the possibility of reducing the measurement error of the radii of curvature of the concave optical parts by eliminating the mismatch between the point of maximum energy concentration and the center of curvature of the wavefront characteristic of the prototype device.

Применительно к предлагаемому устройству задача решается тем, что предлагаемое к патентованию устройство содержит дополнительный вынесенный светоделительный элемент 2, установленный в устройство таким образом, что в начальном положении совмещаются точечный источник 1, фокус насадки 4 измерительного устройства и центр кривизны измеряемой оптической детали 3, а при проведении измерений относительно измеряемой детали перемещается все устройство, включающее измерительную часть, дополнительный светоделительный элемент 2 и точечный источник 1, а положение дополнительного светоделительного элемента и точечного источника относительно фокуса насадки 4 не изменяется. Т.е. точечный источник благодаря дополнительному светоделительному элементу 2 теперь размещается перед измерительной частью, состоящей из элементов 4,5,6,7,8 и перемещается при измерении вместе с ней, сохраняя при этом в процессе измерения свое положение неизменным относительно фокуса насадки 4.In relation to the proposed device, the problem is solved in that the device proposed for patenting contains an additional remote beam splitting element 2 installed in the device so that in the initial position the point source 1, the focus of the nozzle 4 of the measuring device and the center of curvature of the measured optical part 3 are combined, and when taking measurements with respect to the measured part, the entire device moves, including the measuring part, an additional beam splitting element 2 and a point source nick 1, and the position of the additional beam splitting element and the point source relative to the focus of the nozzle 4 does not change. Those. the point source due to the additional beam splitting element 2 is now placed in front of the measuring part, consisting of elements 4,5,6,7,8 and moves during the measurement with it, while maintaining its position in the measurement process unchanged relative to the focus of the nozzle 4.

По сравнению с прототипным устройством измерения из патента RU 2667323, в предлагаемом устройстве отсутствует рассогласование между точкой концентрации энергии и точкой, где минимален радиус кривизны волнового фронта (т.е. пучок, освещающий измеряемую поверхность и пучок, приходящий в насадку устройства, являются гомоцентрическими), что приводит к снижению погрешности измерения радиуса кривизны контролируемой поверхности оптической детали примерно в 3…4 раза.Compared with the prototype measuring device from patent RU 2667323, the proposed device does not have a mismatch between the energy concentration point and the point where the radius of curvature of the wavefront is minimal (i.e., the beam illuminating the measured surface and the beam coming into the nozzle of the device are homocentric) , which leads to a decrease in the error of measurement of the radius of curvature of the controlled surface of the optical part by about 3 ... 4 times.

Перечень фигурList of figures

На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства измерения радиусов кривизн вогнутых оптических деталей с разнесенными ветвями, где:In FIG. 1 shows an optical diagram of the proposed device for measuring the radii of curvature of concave optical parts with spaced branches, where:

1 - точечный источник на основе п/п лазера с волоконным выходом,1 - point source based on p / p laser with a fiber output,

2 - дополнительный светоделительный элемент,2 - additional beam splitting element,

3 - контролируемое зеркало,3 - controlled mirror,

4 - фокусирующая насадка,4 - focusing nozzle,

5 - вводной объектив афокальной системы,5 - introductory lens of the afocal system,

6 - светоделительный элемент,6 - beam splitting element

7 - выходной объектив афокальной системы,7 - output lens of the afocal system,

8 - датчик волнового фронта.8 - wavefront sensor.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Пример осуществления изобретения Для проверки работоспособности предлагаемого к патентованию устройства измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности с разнесенными ветвями в МГТУ им. Н.Э.Баумана был создан макетный образец измерительного прибора, построенный по приведенной на фиг. 1 схеме, где изображение точечного источника 1, располагающегося в центре кривизны измеряемого зеркала 3 совмещено с фокусом насадки 4 прибора, причем сам точечный источник 1 благодаря дополнительному светоделительному элементу 2 выносится за пределы оптической системы измерительной части устройства (элементы 4,5,6,7 как в прототипе), но на одной с ним платформе и на фиксированном расстоянии от фокуса насадки 4. Светоделительный элемент 6 необходим для первоначального совмещения оптических осей элементов прибора, измеряемого зеркала и осевого положения точечного источника 1. Использовавшийся датчик волнового фронта имеет следующие характеристики:An example embodiment of the invention To test the health of the proposed patented device for measuring the radius of curvature of a concave optical spherical surface with spaced branches at MSTU. N.E.Bauman was created a prototype of a measuring device, constructed according to the one shown in FIG. 1, where the image of a point source 1 located in the center of curvature of the measured mirror 3 is aligned with the focus of the nozzle 4 of the device, and the point source 1 itself, due to the additional beam splitting element 2, is carried outside the optical system of the measuring part of the device (elements 4,5,6,7 as in the prototype), but on the same platform with it and at a fixed distance from the focus of the nozzle 4. A beam splitter 6 is necessary for the initial combination of the optical axes of the elements of the device, the measured mirror and axial about the position of the point source 1. The used wavefront sensor has the following characteristics:

- минимально измеряемый радиус кривизны волнового фронта 350 мм;- the minimum measurable radius of curvature of the wavefront is 350 mm;

- диаметр зрачка 11,15 мм;- pupil diameter 11.15 mm;

- фокусное расстояние линзового растра - 3,2 мм;- focal length of the lens raster - 3.2 mm;

- размер элемента линзового растра - 136 мкм;- the size of the element of the lens raster is 136 microns;

- число элементов - 80×80 (6400);- the number of elements is 80 × 80 (6400);

- погрешность измерения PV - 2 нм.- measurement error PV - 2 nm.

Проведенные испытания показали существенное (до 50 раз) уменьшение рассогласования между точкой максимальной концентрации энергии и центром кривизны волнового фронта, приведшее к уменьшению погрешности измерений. Данные измерений для нескольких оптических деталей с различными радиусами кривизны, полученные в ходе испытаний приведены в таблице.The tests showed a significant (up to 50 times) decrease in the mismatch between the point of maximum energy concentration and the center of curvature of the wavefront, which led to a decrease in measurement error. The measurement data for several optical parts with different radii of curvature obtained during the tests are shown in the table.

По сравнению с прототипным устройством измерения из патента RU 2667323 относительная погрешность измерения радиуса кривизны контролируемой оптической детали становится заметно меньше, а также, при этом не требуется сложной аппаратуры для юстировки устройства.Compared with the prototype measuring device from patent RU 2667323, the relative error in measuring the radius of curvature of the controlled optical part becomes noticeably smaller, and also, it does not require complex equipment to align the device.

Claims (1)

Устройство измерения радиуса кривизны вогнутой оптической сферической поверхности c разнесенными ветвями, содержащее точечный источник, оптическую систему измерительной части, включающую светоделительный элемент, датчик волнового фронта, отличающееся тем, что введен дополнительный светоделительный элемент, с помощью которого точечный источник выносится за пределы оптической системы измерительной части, располагается перед измерительной частью устройства и совмещается с фокусом насадки устройства, причем дополнительный светоделительный элемент находится между фокусом насадки и измеряемой оптической деталью и перемещается относительно центра кривизны измеряемой детали вместе с измерительной частью устройства.A device for measuring the radius of curvature of a concave optical spherical surface with spaced branches, containing a point source, an optical system for the measuring part, including a beam splitting element, a wavefront sensor, characterized in that an additional beam splitting element is introduced, with which the point source is carried outside the optical system of the measuring part , is located in front of the measuring part of the device and is combined with the focus of the nozzle of the device, with additional beams The measuring element is located between the focus of the nozzle and the measured optical part and moves relative to the center of curvature of the measured part together with the measuring part of the device.

Images