ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ЛИНЗ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного определения расстояния между оптической и геометрической осями линз и расстояния между поверхностями линз, в том числе в оптико-механической промышленности при аттестационном контроле децентровок линз и определении воздушных промежутков в объективах.

При механической обработки краев линз, установке линз в оправах, сборке объективов неизбежна децентрировка оптических поверхностей, ухудшающая качество изображения [1] Кроме этого, могут неточно выдерживаться значения длины воздушных промежутков между поверхностями линз, смещения положения линз, что приводит к нежелательному изменению параметров оптической системы. Для уменьшения влияния перечисленных факторов необходимо определять геометрическое расположение линз, в том числе, контролировать расстояние между оптической осью линзы, проходящей через центры кривизны сферических поверхностей, и геометрической осью линзы (осью симметрии обработанного края линзы или оправы) и контролировать положение линзы в направлении геометрической оси.

Известны коллимационный и автоколлимационный способы контроля геометрического расположения линз [1] заключающийся в том, что фокусируют соответственно параллельный пучок и наблюдательный микроскоп на точку в фокальной плоскости линзы, либо фокусируют автоколлимационный микроскоп на центр кривизны поверхности контролируемой линзы, вращают линзу и по смещению изображений, соответствующих точкам фокусировки, определяют геометрическое расположение линзы. Известные способы позволяют определять, главным образом, децентрировку линзы.

Недостатками известных технических решений являются недостаточная точность контроля децентрировки из-за неидеальности процесса фокусировки вследствие субъективных ошибок при визуальном наблюдении, а также недостаточно высокой чувствительности при контроле линз с малой крутизной. По этой же причине низка точность контроля воздушных промежутков, так как использование принципа фокусировки вызывает значительные погрешности, достигающие 5 10 мкм, которые часто превышают допустимые значения.

Устранить погрешности фокусировки и повысить чувствительность при контроле геометрического расположения линз можно при использовании интерференционного способа контроля. В. Г. Зубаковым впервые предложен такой способ ([2] с. 96), предназначенный для контроля центрировки линзы, т.е. ее расположения в направлении, перпендикулярном геометрической оси.

Способ заключается в том, что, используя самоустановку пробного стекла на измеряемой поверхности и освещая эту поверхность параллельным пучком света, получают интерференционную картину в виде колец, локализованных в вершине контролируемой поверхности. Далее определяют смещение центра колец относительно центра поперечного сечения цилиндрической поверхности детали, по которому судят о расположении поверхности линзы относительно геометрической оси.

Известный способ реализуется при помощи устройства ([2] с.97), содержащего источник излучения в виде спектральной лампы со светофильтрами, коллиматор, пробное стекло в контакте с контролируемой поверхностью, измерительный микроскоп или горизонтальный компаратор, наблюдательную систему.

Недостатками известного технического решения являются его применимость главным образом для центрировки асферических поверхностей, а также недостаточная точность контроля, обусловленная необходимостью многократного выполнения операции наведения на заданные точки изображения (не менее четырех наведений при одном измерении). Другим недостатком известного решения является невозможность контроля геометрического расположения нескольких линз в оптической системе.

Известен также частично свободный от указанных недостатков интерференционный способ контроля геометрического расположения линз ([2] с.97), который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип.

Известный способ заключается в том, что освещают контролируемую систему линз параллельным пучком монохроматического света, регистрируют интерференционные картины в виде нескольких систем интерференционных колец и по взаимному смещению центров этих систем колец судят о геометрическом расположении линз. В известном способе определяют расстояние между оптическими осями линз в оптической системе, т. е. контролируют относительное расположение линз, которые, как правило, находятся в механическом контакте.

Известный способ реализуется с помощью устройства (см. [2] с.97), содержащего лазерный источник излучения, последовательно расположенные по ходу лучей первый поляризатор, обратную телескопическую систему, четвертьволновую пластинку и контролируемую систему линз, а также установленный между линзами обратной телескопической системы светоделитель, второй поляризатор и окуляр, последовательно расположенные на выходе светоделителя.

Недостатком известного технического решения является недостаточная точность и недостаточные функциональные возможности контроля геометрического расположения линз, обусловленные следующими величинами.

Согласно известному способу используют строго монохроматическое излучение и получают интерференцию одновременно от нескольких поверхностей, поэтому возможны промахи и ошибки в идентификации искомых интерференционных колец. При контроле сложных систем линз известное техническое решение вообще неработоспособно в виду появления многочисленных паразитных интерференционных картин, полностью искажающих изображение.

В известном устройстве появляются ложные отражения также в линзах объектива обратных телескопических систем, вследствие чего возникают дополнительные искажения наблюдаемого изображения.

Кроме этого, возникает необходимость в использовании поляризационных элементов, вносящих дополнительные искажения при наблюдении интерференции.

В известном техническом решении систему интерференционных картин наблюдается визуально, без автоматического анализа изображения, что вызывает субъективные погрешности измерений.

В силу указанных причин в известном техническом решении практически сложно реализовать контроль воздушных промежутков между линзами, т.е. их расположения вдоль геометрической оси.

Другим ограничением функциональных возможностей известного технического решения является невозможность определения абсолютного бокового смещения линзы или системы линз относительно заданной геометрической оси.

Таким образом, известное техническое решение имеет недостаточные функциональные возможности и недостаточную точность при контроле геометрического расположения линз.

Цель изобретения обеспечения контроля расположения линз вдоль геометрической оси и повышение точности контроля.

Предлагаемый интерференционный способ контроля геометрического расположения линз заключается в том, что формируют световой пучок с малой длиной когерентности, освещают им систему линз, формируют из излучения источника опорный пучок, регистрируют картины систем интерференционных колес, последовательно для каждой линзы, измеряют изменения оптической длины путем опорного пучка, соответствующие различным интерференционным картинам, и по измеренным величинам судят о расположении линз вдоль геометрической оси.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, содержащего источник излучения с малой длиной когерентности и светоделителя, образующие опорную и измерительную волны, телескопическую систему из двух линз, установленных соответственно последовательно по ходу излучения от источника по обе стороны от светоделителя, и систему наблюдения интерференционной картины, выполненную в виде последовательно электрически связанных многоэлементного фотоэлектрического преобразователя, регистрирующего, запоминающего блоков и блока обработки, и установленный по ходу опорной волны, за объективом, отражатель с приводом его перемещения вдоль оптической оси и блок измерения перемещения отражателя, при этом устройство снабжено двумя объективами, установленными соответственно по ходу опорной волны и перед системой наблюдения.

Это решение позволяет значительно расширить функциональные возможности контроля геометрического расположения линз с одновременным повышением точности, за счет того, что в нем контролируют расположение линз вдоль оптической оси и одновременно в поперечном направлении, причем при контроле интерференционные картины получают раздельно для каждой контролируемой поверхности. При этом контролируемые поверхности могут не быть в механическом контакте.

Предлагаемое решение позволяет устранять наложение нескольких систем интерференционных колец, в том числе сложных, и тем самым исключить промахи и ошибки в идентификации искомых интерференционных колец. Это обеспечивает дополнительные функциональные возможности, заключающиеся в контроле не только двухкомпонентных оптических систем, как это выполняется в известном устройстве, но и сложных многокомпонентных объективов.

Использование источника излучения с малой длиной когерентности в предлагаемом решении позволяет исключить необходимость в использовании вспомогательных элементов, в том числе поляризационных, искажающих интерференционную картину, и тем самым повысить точность контроля расположения линз по сравнению с известным техническим решением.

Использование операции многоканального фотоэлектрического преобразования при помощи многоэлементного фотоэлектрического преобразователя позволяет в предлагаемом техническом решении устранить субъективные погрешности при контроле геометрического расположения линз как в продольном, так и поперечном направлении относительно геометрической оси.

Определяя координаты измерительных каналов относительно заданной геометрической оси, в предлагаемом решении осуществляют контроль абсолютных боковых смещений каждой контролируемой поверхности, а не относительных смещений, как в известном устройстве. Поскольку геометрическая ось может быть задана в предлагаемом решении относительно произвольной технологической базы, предлагаемое решение обеспечивает в сравнении с известным решением более широкие функциональные возможности контроля геометрического расположения линз.

Таким образом, по сравнению с известным техническим решением, предлагаемое решение обеспечивает контроль расположения линз вдоль геометрической оси и повышение точности контроля.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит источник 1 с малой длиной когерентности излучения, последовательно расположенную по ходу лучей систему из двух линз 2 и 3, установленный между линзами 2 и 3 светоделитель 4, причем по ходу отраженного пучка в канале светоделителя 4 последовательно установлены первый объектив 5 и опорный отражатель 6, связанный с приводом поступательного перемещения 7 и блоком измерения перемещения 8, в обратном ходе лучей на выходе светоделителя 4 последовательно установлены второй объектив 9 и многоэлементный фотоэлектрический преобразователь 10, к выходу которого подключены последовательно соединенные регистрирующий блок 11, запоминающий блок 12 и блок обработки 13. Контролируемая система линз 14 располагается на выходе обратной телескопической системы.

Предлагаемый способ реализуют с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

Используют источник излучения 1 с малой длиной когерентности, с помощью обратной телескопической системы 2-3 освещают контролируемую систему линз 14. Дополнительно формируют опорную волну с помощью светоделителя 4, первого объектива 5 и опорного отражателя 6. Последовательно получают в обратном ходе лучей на выходе светоделителя 4 второго объектива 9 интерференцию волн для каждой контролируемой поверхности системы линз 14 при перемещении с помощью привода 7 опорного отражателя 5 с получением малой оптической разности хода (соответствующей длине когерентности источника излучения 1) опорной волны и волны, отраженной от контролируемой поверхности. Предварительно определив пространственные координаты фотоэлектрических каналов, реализуемых с использованием многоэлементного фотоэлектрического преобразователя 10, относительно заданной геометрической оси, осуществляют многоканальное фотоэлектрическое преобразование каждой интерференционной картины. Получают с использованием регистрирующего блока 11 массив значений фотоэлектрического сигнала для каждой интерференционной картины, фиксируют/определяют относительно заданной геометрической оси, положение массива значений фотоэлектрического сигнала соответственно в запоминающем блоке 12 и блоке обработки 13. Измеряют с использованием блока измерения перемещения 8 изменения оптической длины пути опорной волны, соответствующие различным интерференционным картинам, и по этим изменениям судят о расположении линз вдоль геометрической оси по совокупности полученных в блоке обработки 13 величин смещений массивов значений фотоэлектрического интерференционного сигнала, зафиксированных в запоминающем блоке 12. Это позволяет судить о расположении линз контролируемой системы 14 в направлении, перпендикулярном заданной геометрической оси.

Конкретными примерами отдельных элементов устройства являются следующие.

Источник излучения 1 может быть, например, простой лампой накаливания. Однако, при этом длина когерентности не превышает нескольких микрометров, что предъявляет весьма жесткие требования к юстировке оптической системы и точности установки положения опорного отражателя 6. Поэтому более предпочтительно использование полупроводникового лазера, длина когерентности которого может быть выбрана в желаемых пределах. Требуемое значение длины когерентности определяется удвоенным минимальным расстоянием между контролируемыми поверхностями. Одним из используемых типов полупроводниковых лазеров является ИЛПН-108.

Привод поступательного перемещения 7, с помощью которого в предлагаемом устройстве осуществляют перемещение опорного отражателя 6, может быть выполнен в виде перемещаемой (например, шаговым двигателем) каретки, снабженной механизмом тонкого перемещения, который управляется, например, пьезокерамическим датчиком перемещения.

Блок измерения перемещения 8 может быть выполнен в виде интерферометра перемещений, растрового или иного прецизионного измерителя перемещений.

Многоэлементный фотоэлектрический преобразователь 10 представляет собой прибор с зарядовой связью, например, типа К1200ЦМ7, снабженный блоком управления.

Регистрирующий блок 11 реализуется на основе электронных элементов и содержит в своем составе в одном из вариантов аналого-цифровой преобразователь. В регистрирующем блоке получают в цифровой форме массив значений фотоэлектрического сигнала, пропорционального интенсивности света и соответствующего одной интерференционной картине.

Запоминающий блок 12 может быть реализован, например, в виде цифрового блока оперативной памяти, объем которого позволяет хранить информацию и положении каждого из массивов значений фотоэлектрического сигнала относительного заданного положения геометрической оси. Блок реализуется на основе обычной элементной базы.

Блок обработки 13 обеспечивает определение и сравнение положений центров системы интерференционных колец, т.е. является вычислительным блоком разностей координат центром кривизны контролируемых поверхностей системы линз 14.

Характеристики остальных элементов устройства очевидным образом определяются их функциональным назначением и особенностей не имеют.

Таким образом, использование в предлагаемом решении рассмотренной последовательности операций и элементов устройства позволяет обеспечить высокоточный контроль геометрического расположения линз по трем координатам, в том числе в сложных многокомпонентных оптических системах.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного определения расстояния между оптической и геометрической осями линз и расстояния между поверхностями линз. Задача изобретения - контроль расположения линз вдоль геометрической оси и повышения точности контроля. Для этого используют источник излучения с малой длиной когерентности, с помощью системы из двух линз освещают контролируемую систему линз, формируют опорную волну с помощью последовательно расположенных светоделителя, первого объектива и опорного отражателя. Последовательно получают в обратном ходе лучей на выходе светоделителя и второго объектива интерференцию волн для каждой контролируемой поверхности системы линз при перемещении, с помощью привода поступательного перемещения, опорного отражателя с получением малой оптической разности хода (соответствующей длине когерентности излучения) опорной волны и волны, отраженной от контролируемой поверхности. Предварительно определив относительно заданной геометрической оси пространственные координаты фотоэлектрических каналов, реализуемых с использованием многоэлементного фотоэлектрического образователя, установленного на выходе второго объектива, осуществляют многоканальное фотоэлектрическое преобразование каждой интерференционной картины. Затем получают с использованием регистрирующего блока массив значений фотоэлектрического сигнала для каждой интерференционной картины, фиксируют и определяют относительно заданной геометрической оси положение массива значений фотоэлектрического сигнала соответственно в запоминающем блоке и блоке обработки, последовательно подключенных к выходу регистрирующего блока. Измеряют с использованием блока измерения перемещения опорного отражателя изменения оптической длины пути опорной волны, соответствующие различным интерференционным картинам и по этим измерениям судят о расположении линз вдоль геометрической оси. О смещении центров систем интерференционных колец судят по совокупности полученных в блоке обработки величин смещений массивов значений фотоэлектрического интерференционного сигнала, зафиксированных в запоминающем блоке. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Интерференционный способ контроля геометрического расположения линз, заключающийся в том, что формируют световой пучок, освещают им систему линз, регистрируют картины систем интерференционных колец и по смещению центров систем судят о расположении линз, отличающийся тем, что, с целью контроля расположения линз вдоль геометрической оси и повышения точности контроля, формируют световой пучок с малой длиной когерентности и формируют из него опорный пучок, регистрируют картины интерференционных колец последовательно для каждой линзы, измеряют изменения оптической длины пути опорного пучка, соответствующие различным интерференционным картинам, и по измеренным величинам судят о расположении линз вдоль геометрической оси. 2. Интерференционное устройство контроля геометрического расположения линз, содержащее последовательно установленные источник излучения и светоделитель, образующие опорную и измерительную волны излучения, телескопическую систему из двух линз, установленных соответственно последовательно по ходу излучения от источника по обе стороны от светоделителя, и систему наблюдения интерференционной картины, отличающееся тем, что, с целью контроля расположения линз вдоль геометрической оси и повышения точности контроля, оно снабжено двумя объективами, установленными соответственно в опорном потоке и перед системой наблюдения, выполненной в виде последовательно электрически связанных многоэлементного фотоэлектрического преобразователя, регистрирующего запоминающего блоков и блока обработки, и установленным в опорном потоке по ходу излучения за объективом отражателем с приводом его перемещения вдоль оптической оси и блоком измерения перемещения отражателя, а источник излучения выполнен в виде источника с малой длиной когерентности.