интерферометр для контроля асферических поверхностей второго порядка

Формула изобретения

Интерферометр для контроля асферических поверхностей второго порядка, содержащий источник монохроматического излучения и последовательно установленные по ходу лучей первый светоделитель, предназначенный для разделения излучения на две ветви - эталонную и рабочую, в эталонной ветви установлены плоское зеркало, фокусирующий объектив и объектив для формирования эталонного плоского волнового фронта, в рабочей ветви по ходу отраженных от первого светоделителя лучей установлены второе плоское зеркало, второй фокусирующий объектив, в заднем фокусе которого установлена диафрагма, и объектив для формирования плоского контролируемого волнового фронта с возможностью вывода его из рабочей ветви, после объектива, формирующего эталонный плоский волновой фронт, установлен второй светоделитель для совмещения эталонного и контролируемого волновых фронтов, в выходном пучке световых лучей установлен блок регистрации интерференционной картины, содержащий входной объектив и фотоприемное устройство, отличающийся тем, что дополнительно введена афокальная система, установленная между источником монохроматического излучения и первым светоделителем, после второго светоделителя перпендикулярно к прошедшим его лучам светового пучка, соответствующего эталонному волновому фронту, установлено третье плоское зеркало, в эталонной ветви фокусирующий объектив установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, в переднем фокусе объектива для формирования плоского контролируемого волнового фронта установлена вторая диафрагма с возможностью вывода ее из рабочей ветви.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в оптическом производстве для технологического и аттестационного контроля формы вогнутых параболических и эллиптических поверхностей оптических деталей, в том числе с большими относительными отверстиями.

Известен интерферометр типа Тваймана-Грина для контроля вогнутых параболических зеркал, в том числе с большими относительными отверстиями [Инюшин А.И., Шифферс Л.А. Интерференционный метод контроля вогнутых параболических поверхностей //ОМП, 1966, № 7, с.33-39]. В рабочей ветви этого интерферометра после светоделителя по ходу лучей установлено выпуклое сферическое зеркало, с центром кривизны которого совмещен фокус контролируемого параболического зеркала. Благодаря этому в рабочей ветви осуществляется автоколлимационный ход лучей, которые дважды отражаются от контролируемого параболического зеркала.

Недостатком данного интерферометра является невысокая надежность контроля параболических поверхностей, обладающих большими дефектами. Это обусловлено автоколлимационным ходом лучей в рабочей ветви, при котором происходит суммирование искажений волнового фронта, вносимых различными зонами поверхности, что затрудняет проведение истинной оценки ее состояния в каждой зоне и тем самым приводит к снижению надежности контроля.

Известен также интерферометр для контроля вогнутых эллиптических поверхностей, в рабочей ветви которого установлено вспомогательное сферическое зеркало [Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М., 1976, с.80-81; рис.28 а, б]. В одном варианте рабочей ветви интерферометра (рис.28а) вспомогательное сферическое зеркало является вогнутым, в другом (рис.286) - либо вогнутым, либо выпуклым. В обоих вариантах центр кривизны вспомогательного сферического зеркала совмещен с ближним фокусом, а точечный источник света - с дальним фокусом контролируемой эллиптической поверхности. В рабочей ветви этого интерферометра также осуществляется автоколлимационный ход пучка световых лучей, который дважды отражается от контролируемой эллиптической поверхности. Поэтому он обладает тем же недостатком, как и интерферометр для контроля вогнутых параболических поверхностей, содержащий выпуклое сферическое зеркало.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интерферометр для контроля асферических поверхностей второго порядка вогнутых параболоидов и эллипсоидов [А.С. № 1712778; опубл. 15.02.92 г. БИ № 6, приор. 02.03.90 г., МКИ G01В 11/24]. Этот интерферометр содержит источник монохроматического излучения и последовательно установленные по ходу лучей первый светоделитель, предназначенный для разделения излучения на две ветви - эталонную и рабочую, в эталонной ветви установлены плоское зеркало, фокусирующий объектив и объектив для формирования эталонного плоского волнового фронта, в рабочей ветви по ходу отраженных от первого светоделителя лучей установлены второе плоское зеркало, второй фокусирующий объектив, в заднем фокусе которого установлена диафрагма, и объектив для формирования плоского контролируемого волнового фронта с возможностью вывода его из рабочей ветви, после объектива, формирующего эталонный плоский волновой фронт, установлен второй светоделитель для совмещения эталонного и контролируемого волновых фронтов, в выходном пучке световых лучей установлен блок регистрации интерференционной картины, содержащий входной объектив и фотоприемное устройство.

Недостатком этого интерферометра является невысокая надежность контроля вогнутых параболических и эллиптических поверхностей, которая обусловлена несколькими причинами. Во-первых, в оптической системе интерферометра отсутствуют элементы для проведения поверочного контроля эталонного волнового фронта, сформированного в эталонной ветви. В связи с этим отсутствует возможность выявления случайно возникшего в процессе эксплуатации интерферометра отступления формы эталонного волнового фронта от плоскости, что может привести к изготовлению поверхности, отличающейся по форме от параболической или эллиптической, в случае контроля этим интерферометром поверхностей в процессе их формообразования. Во-вторых, в оптической системе интерферометра отсутствуют элементы для визуализации положения второго фокуса контролируемого эллипса, что затрудняет контроль расстояния между его фокусами и приводит к снижению надежности при определении его параметров. В-третьих, из-за сильной неравномерности контраста интерференционных полос, обусловленной гауссовым распределением интенсивности в излучении монохроматического источника света, затрудняется анализ интерференционной картины, что отрицательно влияет на достоверность результатов при определении дефектов контролируемой поверхности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание интерферометра, обладающего повышенной надежностью контроля асферических поверхностей второго порядка за счет обеспечения возможности автономного поверочного контроля плоскостности эталонного волнового фронта средствами, входящими в состав самого интерферометра, визуализации положения второго фокуса контролируемого эллипса дополнительной диафрагмой, повышения равномерности контраста интерференционных полос и получения максимального уровня этого контраста.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом интерферометре для контроля формы асферических поверхностей второго порядка, содержащем источник монохроматического излучения и последовательно установленные по ходу лучей первый светоделитель, предназначенный для разделения излучения на две ветви - эталонную и рабочую, в эталонной ветви установлены плоское зеркало, фокусирующий объектив и объектив для формирования эталонного плоского волнового фронта, в рабочей ветви по ходу отраженных от первого светоделителя лучей установлены второе плоское зеркало, второй фокусирующий объектив, в заднем фокусе которого установлена диафрагма, и объектив для формирования плоского контролируемого волнового фронта с возможностью вывода его из рабочей ветви, после объектива, формирующего эталонный плоский волновой фронт, установлен второй светоделитель для совмещения эталонного и контролируемого волновых фронтов, в выходном пучке световых лучей установлен блок регистрации интерференционной картины, содержащий входной объектив и фотоприемное устройство, дополнительно введена афокальная система, установленная между источником монохроматического излучения и первым светоделителем, после второго светоделителя перпендикулярно к прошедшим его лучам светового пучка, соответствующего эталонному волновому фронту, установлено третье плоское зеркало, в эталонной ветви фокусирующий объектив установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси, в переднем фокусе объектива для формирования плоского контролируемого волнового фронта установлена вторая диафрагма с возможностью вывода ее из рабочей ветви.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предложенного интерферометра для контроля вогнутых параболических поверхностей оптических деталей.

На фиг.2 изображена принципиальная оптическая схема предложенного интерферометра для контроля вогнутых эллиптических поверхностей оптических деталей.

На фиг.3 представлена интерферограмма параболической поверхности, полученная на стадии ее доводки.

На фиг.4 представлена интерферограмма участка на параболической поверхности, выделенного ее экранированием.

Интерферометр содержит (см. фиг.1, 2) источник монохроматического излучения 1, афокальную систему 2, формирующую на выходе расширенный параллельный пучок лучей с небольшим коэффициентом расширения, светоделитель 3, разделяющий падающий на него пучок световых лучей на две части, одна из которых (прошедшая светоделитель 3), поступает в эталонную ветвь, а другая (отраженная от светоделителя 3) - в рабочую ветвь интерферометра. В эталонной ветви по ходу пучка световых лучей последовательно установлены плоское зеркало 4, фокусирующий объектив 5, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и объектив 6 для формирования эталонного плоского волнового фронта. В рабочей ветви по ходу пучка световых лучей последовательно установлены второе плоское зеркало 7, второй фокусирующий объектив 8, диафрагма 9, установленная в заднем фокусе второго фокусирующего объектива 8, и контролируемая оптическая деталь 10 либо с вогнутой параболической поверхностью ПП (фиг.1), либо с вогнутой эллиптической поверхностью ЭП (фиг.2). Диафрагма 11, установленная в переднем фокусе объектива 12, и сам объектив 12 также являются элементами рабочей ветви, которые вводятся в рабочую ветвь при контроле деталей с вогнутыми эллиптическими поверхностями ЭП (фиг.2). Светоделитель 13 служит для совмещения эталонного и рабочего волновых фронтов; он установлен таким образом, что часть пучка параллельных световых лучей, соответствующая отраженной от него части эталонного волнового фронта, направлена в рабочую ветвь. Плоское зеркало 14 установлено перпендикулярно к падающему на него параллельному пучку световых лучей, соответствующих прошедшей светоделитель 13 части эталонного волнового фронта. Блок регистрации интерференционной картины содержит входной объектив 15 и фотоприемное устройство 16, состоящее, например, из передающей камеры и монитора.

Интерферометр работает следующим образом.

Световой пучок лучей от источника монохроматического излучения 1 поступает в афокальную систему 2 с небольшим коэффициентом расширения и преобразуется ею в параллельный пучок световых лучей с равномерным распределением освещенности по сечению, который частично проходит светоделитель 3, частично отражается им. Прошедшая часть пучка поступает в эталонную ветвь, отражается от плоского зеркала 4 и попадает в фокусирующий объектив 5, а затем, в объектив 6, из которого выходит расширенный пучок параллельных световых лучей с эталонным плоским волновым фронтом, который частично проходит светоделитель 13, частично отражается от него. Соответствующий отраженной части эталонного волнового фронта параллельный пучок световых лучей поступает в рабочую ветвь, а соответствующий прошедшей части эталонного волнового фронта параллельный пучок световых лучей падает на плоское зеркало 14, установленное перпендикулярно к этому пучку лучей, отражается от него и в автоколлимационном ходе частично отражается от светоделителя 13 и частично проходит его. Отраженная часть поступает во входной объектив 15 блока регистрации интерференционной картины, фокусируясь в точку А _э, и поступает в передающую камеру фотоприемного устройства 16, а прошедшая часть пучка лучей в автоколлимационном ходе проходит в обратном направлении объективы 6 и 5, отражается от зеркала 4, проходит светоделитель 3, афокальную систему 2 и входит в отверстие выходного окна источника монохроматического излучения 1. В этом случае в блоке регистрации точка фокусирования А _э пучка световых лучей займет определенное фиксированное положение.

В рабочую ветвь поступает отраженная светоделителем 3 часть пучка световых лучей, вышедшего из афокальной системы 2, которая затем отражается вторым плоским зеркалом 7, проходит второй фокусирующий объектив 8 и после прохождения диафрагмы 9 падает на контролируемую оптическую деталь 10 либо с параболической поверхностью ПП (фиг.1), либо с эллиптической поверхностью ЭП (фиг.2).

При контроле оптических деталей с параболическими поверхностями диафрагма 11 и объектив 12 выведены из рабочей ветви (фиг.1). В этом случае после отражения от контролируемой параболической поверхности детали 10 пучок световых лучей падает на светоделитель 13, проходит его и поступает во входной объектив 15, фокусируясь им в точку А_р, совпадающую с точкой А_э, и затем поступает в передающую камеру фотоприемного устройства 16. Интерференционная картина, образованная в результате суперпозиции волн, соответствующих пучкам световых лучей, поступивших из эталонной и рабочей ветвей, изображается на экране монитора фотоприемного устройства 16; она служит для анализа дефектов контролируемой параболической поверхности. Для получения достоверных результатов контролируемая деталь должна быть надежно отъюстирована в интерферометре. Для обеспечения этого требования служит диафрагма 9, а также пучок параллельных лучей, распространяющийся от светоделителя 13 к детали 10 и падающий на ее контролируемую параболическую поверхность. После отражения от параболической поверхности этот пучок лучей становится сходящимся. В процессе юстировки путем продольных и поперечных смещений, а также угловых поворотов детали 10 фокусируют этот пучок лучей на диафрагме 9 в минимально возможное световое пятно и затем направляют его угловыми подвижками детали 10 в отверстие диафрагмы 9. Окончательную юстировку ведут по виду интерференционной картины, наблюдаемой на экране монитора фотоприемного устройства 16. В результате фокус F_п параболы будет совмещен с задним фокусом второго фокусирующего объектива 8.

При контроле оптических деталей 10 с эллиптическими поверхностями диафрагма 11 и объектив 12 введены в рабочую ветвь интерферометра (фиг.2). Причем объектив 12 установлен в ходе параллельного пучка световых лучей, распространяющегося от светоделителя 13, а диафрагма 11 установлена в его фокусе, при этом их положение в рабочей ветви задается таковым, чтобы центр отверстия диафрагмы 11 был удален от центра отверстия диафрагмы 9 на расстояние, равное расстоянию между фокусами F₁ и F₂ теоретически заданной эллиптической поверхности. Контролируемая деталь 10 с эллиптической поверхностью ЭП установлена в интерферометр таким образом, чтобы фокус F₁ эллиптической поверхности, который ближе к ее вершине О, совпадал с отверстием диафрагмы 9, а значит и с задним фокусом второго фокусирующего объектива 8, а фокус F₂ - с отверстием в диафрагме 11 и соответственно с передним фокусом объектива 12. Пучок световых лучей, вышедший из второго фокусирующего объектива 8, после отражения от эллиптической поверхности ЭП проходит диафрагму 11, объектив 12, светоделитель 13 и поступает в объектив 15, фокусируясь в точку А_р. Картина интерференции, образованная в результате суперпозиции волн, соответствующих пучкам световых лучей, вышедших из эталонной и рабочей ветвей, наблюдается на экране монитора фотоприемного устройства 16 для оценки дефектов эллиптической поверхности. Юстировка детали 10 с эллиптической поверхностью проводится с использованием двух реперов: диафрагм 9 и 11. В процессе юстировки необходимо путем продольного и поперечных смещений, а также угловых поворотов детали 10 сфокусировать отраженный от эллиптической поверхности пучок световых лучей в плоскости диафрагмы 11 в минимально возможное световое пятно, а затем угловыми поворотами детали 10 направить его в отверстие этой диафрагмы. При проведении этих операций отверстие диафрагмы 11 играет роль репера. Затем провести более точную юстировку детали 10 по интерференционной картине. При правильно отъюстированной детали 10 с эллиптической поверхностью параллельный пучок световых лучей, распространяющийся от второго светоделителя 13, после прохождения объектива 12 и диафрагмы 11 и отражения от эллиптической поверхности должен фокусироваться в отверстие диафрагмы 9. Это будет означать, что фокус F₁ эллиптической поверхности совмещен с центром отверстия диафрагмы 9, а значит и с задним фокусом второго фокусирующего объектива 8, при этом фокус F₂ совмещен с фокусом объектива 12 и с центром отверстия диафрагмы 11. Таким образом, диафрагма 9 с отверстием является при юстировке эллиптических поверхностей еще одним (вторым) репером. Дефекты эллиптической поверхности определяются из анализа интерференционной картины подобно тому, как это делается для параболической поверхности.

В предложенном интерферометре в отличие от известного плоскостность эталонного волнового фронта может быть проверена каждый раз перед началом работы, что повышает надежность контроля данным интерферометром. Для этого плоское зеркало 14 должно быть сориентировано так, чтобы отраженный от него пучок световых лучей в обратном ходе прошел светоделитель 13, объективы 6 и 5, отразился от зеркала 4, прошел светоделитель 3, афокальную систему 2 и упал на выходное окно источника монохроматического излучения 1. Диаметр следа от этого пучка лучей на выходном окне должен быть сравним с сечением светового пучка, выходящего из источника монохроматического излучения 1, это будет означать, что задний фокус объектива 5 совмещен с передним фокусом объектива 6 и эталонный волновой фронт является плоским. Если же при проверке оказалось, что величина диаметра следа от указанного выше пучка лучей на выходном окне источника монохроматического излучения 1 отличается от величины сечения светового пучка, выходящего из источника монохроматического излучения 1, то необходимо их сравнять путем продольного перемещения вдоль оптической оси объектива 5; в результате чего задний фокус объектива 5 будет совмещен с передним фокусом объектива 6 и эталонный волновой фронт станет плоским. После этого угловыми поворотами зеркала 14 отраженное им излучение необходимо направить непосредственно в отверстие выходного окна источника монохроматического излучения 1. В результате плоское зеркало 14 установится перпендикулярно к падающему на него параллельному пучку световых лучей, а точка фокусировки А_э пучка лучей, вышедшего из эталонной ветви, в блоке регистрации займет определенное фиксированное положение.

При проверке эллиптических поверхностей повышение надежности контроля обусловлено еще и тем, что достаточно точно может быть задано в пространстве положение их фокусов благодаря введению в интерферометр диафрагмы 11, плоскость которой должна быть надежно совмещена с фокальной плоскостью объектива 12, а центр ее отверстия должен быть надежно совмещен с фокусом этого объектива. Выполнение указанных совмещений осуществляется сначала продольным смещением диафрагмы 11 в требуемое положение, что контролируется по виду теневой картины, возникающей при кратковременном касании каким-либо краем отверстия диафрагмы 11 сфокусированного объективом 12 пучка световых лучей, падающего на этот объектив от светоделителя 13, а затем поперечным смещением диафрагмы 11 до положения, когда сфокусированное пятно займет центр отверстия диафрагмы 11. Последнее можно проконтролировать визуально, используя лупу. Таким же методом устанавливается и диафрагма 9 в фокальную плоскость второго фокусирующего объектива 8. Расстояние между центрами отверстий диафрагм 9 и 11 может быть также надежно измерено линейными измерителями. Пучок световых лучей, распространяющийся от второго светоделителя 13 в рабочую ветвь предложенного интерферометра, служит ориентиром для размещения в ней объектива 12 и диафрагмы 11; это обстоятельство значительно облегчает и убыстряет процесс установки указанных элементов в интерферометр при подготовке его для контроля эллиптических поверхностей.

Вследствие введения афокальной системы 2 обеспечивается равномерность освещенности по всему сечению параллельного пучка лучей, поступающего в эталонную и рабочую ветви интерферометра, что приводит к выравниванию контраста полос по всей площади, занятой интерференционной картиной, и положительно сказывается на достоверности результатов контроля, полученных при ее анализе. Путем изменения положения плоского зеркала 14 вдоль оптической оси добиваются оптимальной разности хода световых волн для эталонной и рабочей ветвей и тем самым настраивают интерферометр на максимальный контраст интерференционных полос, что также положительно сказывается на достоверности результатов контроля. Таким образом, указанные возможности по обеспечению получения хорошего контраста интерференционных полос вносят вклад в повышение надежности контроля предложенным интерферометром.

Итак, из приведенных выше обоснований следует, что предложенный интерферометр действительно обладает высокой надежностью.

На основе оптической схемы интерферометра, изображенной на фиг.1, создан контрольно-измерительный стенд, который в настоящее время используется в оптическом производстве при контроле параболических поверхностей с относительными отверстиями: D/f'=1/0,25 и D/f'⁼1/0,267.

На фиг.3 представлена интерферограмма параболической поверхности с относительным отверстием D/f'=1/0,25 на стадии ее доводки, а на фиг.4 - интерферограмма участка на той же параболической поверхности, выделенного ее экранированием, который соответствует отражающей поверхности внеосевого параболоидального зеркала, вырезаемого из сформированной параболической заготовки.