устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей

Формула изобретения

1. Устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей, содержащее источник когерентного излучения, светоделительный элемент, объектив коллиматора, объектив с эталонной поверхностью и контролируемую поверхность, систему проецирования интерференционной картины на ПЗС-матрицу, связанную через блок регистрации с компьютером, и систему совмещения автоколлимационных точек с расположенной на оптической оси ПЗС камерой, связанной с монитором, отличающееся тем, что в системе совмещения автоколлимационных точек установлен объемно-рассеивающий экран (ОРЭ), а также дополнительно установлены две ПЗС-камеры перпендикулярно оптической оси, связанные с дополнительным монитором.

2. Устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей по п.1, отличающееся тем, что ОРЭ выполнен в форме шара со срезанными сегментами из оптически прозрачного рассеивающего материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения отклонения формы полированных поверхностей от номинальной при контроле оптических деталей.

Известен интерферометр (Ю.В.Коломийцев. Интерферометры. Основы инженерной теории. Ленинград, «Машиностроение», 1976, стр.52.) [1], предназначенный для определения величины отступления от плоскостности поверхностей высокой точности и плоскопараллельности пластин.

В известном интерферометре [1] свет от монохроматического источника (например, ртутной лампы) собирается линзой на отверстии в диафрагме, помещенной в фокальной плоскости объектива коллиматора. Параллельный пучок лучей, вышедший из объектива коллиматора, отражается от верхней плоской поверхности контролируемой детали и от нижней плоской поверхности слегка клиновидной пластины - эталона. Интерференционная картина наблюдается через полупрозрачную пластину и окуляр. Полосы равной толщины наиболее контрастны при падении параллельного пучка лучей по нормали к поверхности пластины. Поэтому при юстировке интерферометра эталонную пластину устанавливают так, чтобы автоколлимационное изображение отверстия в диафрагме, полученное при отражении пучка лучей от нижней поверхности пластины, совпало с самим отверстием.

Известен интерферометр (Патент США № 4201473, МПК G10B 9/02, 1980 г.) [2], предназначенный для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной.

Интерферометр [2] содержит гелий-неоновый лазер, специальный фильтр, преобразующий луч лазера в расходящийся волновой фронт, светоделители, объектив, собственно интерферометр Физо, систему проецирования интерферограммы на телекамеру и систему проецирования на телекамеру автоколлимационных изображений диафрагмы.

Известно также устройство (Европейский патент № 0144510, МПК G10B 9/02, 1985 г.) [3], предназначенное для интерферометрического измерения волнового фронта.

Известное устройство [3] содержит источник света - модуль полупроводникового лазера, пространственный фильтр, преобразующий лазерный пучок в расходящийся сферический волновой фронт, пропускающий расщепитель пучка, коллимирующую линзу, интерферометр Физо. Интерференционная картина формируется на фоточувствительных элементах устройства формирования изображений с ПЗС или фотодиодной матрицей. Сканирование интерференционной картины осуществляется методом изменения длины волны излучения источника, что реализовано в известном способе путем изменения оптической длины резонатора лазера. Этот способ требует для своей реализации специального лазера, что является несомненным недостатком.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является интерферометр (Интерферометр. Модель MARK III. Техническое описание - прототип) [4], принципиальная схема которого представлена на фиг.1.

Интерферометр [4] реализован по схеме Физо, в которой интерференционная картина возникает между непосредственно эталонной и контролируемой поверхностями.

Способ измерения в интерферометре, выбранном в качестве прототипа, основан на том, что эталонная поверхность совершает колебательные движения вдоль оптической оси. В результате вся интерференционная картина смещается на одну полосу при перемещении эталонной поверхности на ¹/₂ длины волны излучения используемого в интерферометре источника. Измерив три или более значений интенсивности интерференционной картины в точках поля, соответствующих положению пикселей матрицы за время одного цикла перемещения эталонной поверхности, можно рассчитать фазу интерферограммы в этих точках поля, что соответствует фазе волнового фронта.

Известное устройство [4] содержит источник когерентного излучения, расположенные за ним фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива и состоящий из конденсорной линзы и диафрагмы малого диаметра, первый и второй светоделительные элементы, объектив и собственно интерферометр, который включает контролируемую и эталонную поверхности. Обе поверхности перпендикулярны оптической оси. Эталонная поверхность совершает колебания вдоль оптической оси интерферометра, благодаря чему длина хода луча, отраженного от этой поверхности, непрерывно изменяется. Устройство [4] содержит также проекционную систему, которая вместе с объективом проецирует интерференционную картину на TV-камеру и фотодиодную матрицу, а также систему проецирования автоколлимационных изображений, предназначенную для предварительной настройки интерферометра. С фотодиодной матрицей связана ЭВМ, в которой осуществляется обработка результатов измерения.

В известном устройстве для настройки изображения интерференционной картины используется метод совмещения изображения двух автоколлимационных точек на поверхности матовой пластины. Автоколлимационная точка от контролируемой поверхности сфокусирована на матовом стекле, но смещена на некоторое расстояние. Задачей настройки является привести эту точку в номинальное положение подвижками контролируемой поверхности. При этом при контроле сферических поверхностей практически всегда на начальной стадии юстировки имеется как поперечное, так и продольное смещение контролируемой поверхности, что приводит не только к смещению автоколлимационной точки на поверхности матового стекла, но и к расфокусировке ее изображения. Часто возникает ситуация, когда точка настолько расфокусирована, что ее практически не видно. Приходится наугад сдвигать контролируемую поверхность вдоль оси и искать изображение точки, либо применять другие специальные способы предварительного выставления расстояния между контролируемой и эталонной поверхностями. Все это приводит к удлинению времени, затрачиваемого на процедуру контроля.

Недостатком известного устройства [4] является сложность осуществления оперативного контроля деталей при их серийном производстве, что обусловлено стационарной конструкцией устройства и его большими габаритами.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение оперативности измерений, при одновременном упрощении процедуры настройки устройства.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей, которое, как и наиболее близкое, выбранное в качестве прототипа, содержит источник когерентного излучения, светоделительный элемент, объектив коллиматора, объектив с эталонной поверхностью и контролируемую поверхность, систему проецирования интерференционной картины на ПЗС-матрицу, связанную через блок регистрации с компьютером, и систему совмещения автоколлимационных точек с расположенной на оптической оси ПЗС камерой, связанной с монитором.

Особенностью предлагаемого устройства, отличающей его от известного устройства [4], принятого за прототип, является то, что в системе совмещения автоколлимационных точек установлен объемно-рассеивающий экран (ОРЭ). Дополнительно в системе совмещения автоколлимационных точек установлены две ПЗС камеры перпендикулярно оптической оси, связанные с дополнительным монитором.

Кроме того, ОРЭ выполнен в форме шара со срезанными сегментами из оптически прозрачного рассеивающего материала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В заявляемом устройстве в системе совмещения автоколлимационных точек установлен ОРЭ, представляющий шароподобный, со срезанными сегментами элемент, выполненный из оптически прозрачного рассеивающего материала, например опалесцирующего стекла или плексигласа. При этом благодаря рассеянному свету со стороны, перпендикулярной оптической оси, наблюдается картина, представляющая световой конус с перетяжкой в точке фокусировки. В этом случае как без предварительной расфокусировки, так и при ее наличии в достаточно больших пределах четкость наблюдения картины не изменяется.

После установки контролируемой поверхности на устройство, даже при наличии расфокусировки, легко находится автоколлимационное изображение точки от контролируемой поверхности, которое совмещается с автоколлимационной точкой от эталонной поверхности - сначала путем совмещения световых конусов, наблюдая перпендикулярно оптической оси (боковая картина), затем окончательно при помощи ПЗС камеры, расположенной на оптической оси (осевая картина).

Наблюдение боковой картины осуществляется при помощи двух ПЗС камер, расположенных перпендикулярно оптической оси и связанных с дополнительным монитором. Наличие двух камер обусловлено тем, что при наблюдении боковой картины для успешного совмещения конусов требуется видеть трехмерную картину. Сигнал с двух камер может быть использован для получения трехмерной картины на мониторе одним из известных способов.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлена принципиальная схема устройства, принятого за прототип; на фиг.2 - представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей содержит источник излучения 1, расположенный за ним светоделительный элемент, состоящий из двух светоделительных поверхностей первой 2 и второй 3. Светоделительный элемент расположен на одной оси с объективом коллиматора 4, объективом с эталонной поверхностью 5 и контролируемой поверхностью 6. Устройство содержит также систему проецирования интерференционной картины на ПЗС-матрицу, расположенную перпендикулярно оптической оси, состоящую из проекционного объектива 7, ПЗС камеры 8, связанной через блок регистрации 9 с компьютером (не показан), а также систему совмещения автоколлимационных точек, состоящую из ПЗС камер совмещения: осевой ПЗС камеры 10 с монитором 11, двух боковых ПЗС камер 12, установленных перпендикулярно оптической оси, связанных с дополнительным монитором 13 и ОРЭ 14.

Устройство работает следующим образом. Расходящийся когерентный пучок от точечного источника 1, отражаясь от светоделительной поверхности 2, проходит через светоделительную поверхность 3 и попадает на объектив коллиматора 4, затем на объектив с эталонной поверхностью 5, от которой частично отражается и на контролируемую поверхность 6. В обратном ходе пучок отражается от контролируемой поверхности 6 и интерферирует с пучком, отраженным от эталонной поверхности 5, проходит через объектив коллиматора 4 и попадает на светоделительную поверхность 3, которая делит пучок на две части. Одна часть пучка направляется на проекционный объектив 7, ПЗС камеру 8, далее через блок регистрации 9 в компьютер, где происходит визуализация и математическая обработка интерференционной картины. Другая часть пучка проходит через светоделительную поверхность 2 и внутри ОРЭ 14 образует картину в виде светящихся конусов. Картина наблюдается при помощи ПЗС камеры 10 на мониторе 11 в осевом направлении, а также при помощи двух дополнительных боковых ПЗС камер 12 на мониторе 13. Применение камер 12 позволяет получить объемное изображение одним из известных способов, например растровым.

Таким образом, в отличие от существующих схем интерферометров, введение в систему совмещения автоколлимационных точек объемно-рассеивающего экрана, а также дополнительных ПЗС камер перпендикулярно оптической оси позволяет упростить процедуру настройки устройства и повысить оперативность измерений.