ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения оптических характеристик оптических элементов и интерферометрам для осуществления этих способов.

Изобретение может быть использовано для контроля клиновидности плоскопараллельных пластин и определения углов оптических клиньев; определения децентрировки линз; измерения волновых аберраций оптических элементов, а также для контроля оптической силы линз и линзовых компонентов, в том числе для контроля оптической силы мягких контактных линз, находящихся в иммерсионной жидкости.

Известно большое количество способов и устройств для определения характеристик оптических систем, основанных как на законах геометрической, так и на законах физической оптики.

Известен способ определения характеристик оптических элементов, использующий интерференцию двух пучков света, из которых один (измерительный) пропускают сквозь контролируемый элемент, совмещают этот пучок с геометрическим подобным ему опорным пучком взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков относительно частоты света другого из них и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции и измеряя фазы полученных сигналов, и по результатам измерений определяют оптические характеристики контролируемого элемента.

Известен интерферометр, служащий для осуществления этого способа и содержащий лазер, установленные по ходу пучка лучей света коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь и по меньшей мере один блок измерения фазы электрического сигнала, подключенный к этому преобразователю.

Известен способ, при котором сквозь оптический элемент пропускают измерительный пучок лучей света, параллельно измерительному пучку сквозь исследуемый оптический элемент пропускают геометрически подобный ему опорный пучок взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков относительно частоты света другого из них, совмещают оба пучка и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции и измеряя фазы полученных сигналов, и по результатам измерений определяют оптические характеристики контролируемого элемента.

Известно устройство для осуществления этого способа включающее лазер, коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, устройство направления опорного пучка параллельно измерительному, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь и по меньшей мере один блок измерения фазы электрического сигнала, подключенный к этому преобразователю.

Основным недостатком этих способов и устройств является невозможность непосредственного определения по виду интерференционной картины интегральных характеристик оптического элемента (например, оптической силы), так как здесь интерференционная картина является лишь индикатором положения фокальной плоскости элемента, а для определения его оптической силы необходимо дополнительно измерять величину фокального отрезка каким-либо другим методом.

Задачей изобретения является создание такого способа определения оптических характеристик оптических элементов, который, обладая более широкими функциональными возможностями (возможностью определения как интегральных характеристик оптических элементов: оптической силы и величины децентрировки для линзовых элементов, клиновидности для плоскопараллельных пластин и оптических клиньев, так и характеристик качества изображения волновых аберраций), обеспечивал также высокую точность измерения, позволял автоматизировать процесс измерения и производить обработку данных в реальном времени, а также создание такого устройства для осуществления этого способа, которое обеспечивало бы указанные требования.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в известном интерференционном способе определения оптических характеристик оптических элементов, при котором сквозь исследуемый оптический элемент пропускают измерительный пучок лучей света, совмещают этот пучок с геометрически подобным ему опорным пучком взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков относительно частоты света другого из них и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции и измеряя фазы полученных сигналов, согласно изобретению оптически сопрягают плоскость регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, а при регистрации интерференционной картины измеряют координаты заданных точек интерференционной картины и определяют оптические характеристики оптического элемента по результатам измерения фаз и координат.

Это позволяет значительно расширить функциональные возможности измерения, т.е. с высокой точностью получать информацию о клиновидности плоскопараллельных пластинок и оптических клиньев; оценивать децентрировку линз и линзовых компонентов относительно заданных базовых осей; определять интегральную оптическую силу линзы или линзового компонента с высокой точностью (особенно для линз с малыми значениями оптической силы или линз, находящихся в иммерсионной жидкости, а также при измерении фокусности плоскопараллельных пластин); оценивать качество изготовления оптических элементов, чаще всего линзовых (например очковых линз), по критериям астигматичности; производить оценку качества изображения исследуемого элемента по волновым аберрациям как для осевого, так и для внеосевого пучков.

Целесообразно исходный и опорный пучки света фокусировать на задней главной плоскости оптического элемента, перемещать точку фокусировки в этой плоскости, в каждой заданной точке за контролируемым оптическим элементом преобразовывать проинтерферировавший свет в электрический сигнал и измерять фазу этого электрического сигнала.

Это позволяет исключить возможную систематическую погрешность измерения, вносимую сопрягающей оптической системой, и снизить требования к точности сопряжения задней главной плоскости контролируемого оптического элемента с плоскостью регистрации интерференционной картины.

Задача изобретения решается также тем, что интерферометр для осуществления указанного способа, включающий лазер, установленные по ходу пучка лучей коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, узел совмещения интерферирующих пучков света и устройство регистрации интерференционной картины, согласно изобретению содержит систему оптического сопряжения плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, двухстепенной узел сканирования интерференционной картины с устройством управления и датчиками координат, блок регистрации результатов измерения фаз и координат, и вычислительное устройство, соединенное с устройством управления узлом сканирования и блоком регистрации результатов измерения.

Такой интерферометр позволяет измерять с высокой точностью указанные выше характеристики исследуемого оптического элемента и автоматизировать процесс измерения.

Целесообразно устройство смещения частоты света выполнить в виде оптического двухполосного частотного модулятора с разделением сигналов по поляризациям, установленного перед светоделителем, при этом светоделитель выполнить в виде поляризационного делителя, ориентированного своими осями параллельно осям модулятора, а перед каждым фотоэлектрическим преобразователем установить поляризационный элемент, ориентированный своими осями под углом 45^o к осям поляризационного делителя.

Это позволяет уменьшить погрешность, которая возникает из-за колебаний разности длин оптических путей в измерительном и опорном плечах интерферометра из-за наличия в одном из плеч устройства смещения частоты, улучшить компоновку интерферометра и расширить технологические возможности при его создании.

Целесообразно на оси опорного и измерительного пучков установить полуволновые фазовые пластинки.

Это позволяет обеспечить более точную симметрию плеч интерферометра.

Система оптического сопряжения может быть выполнена в виде объектива, установленного перед фотоэлектрическим преобразователем.

Это позволяет наиболее простыми средствами осуществить сопряжение плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента.

Целесообразно систему оптического сопряжения выполнить в виде фокусирующей оптической системы, установленной перед светоделителем, а двухстепенной узел сканирования интерференционной картины выполнить в виде двухстепенного сканера луча света и установить между упомянутой фокусирующей оптической системой и светоделителем.

Это позволяет избавиться от влияния волновых аберраций сопрягающей оптической системы на точность измерения.

Двухстепенной узел сканирования интерференционной картины может содержать узел сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости и узел поворота плоскости сканирования относительно оси пучка.

Это позволяет обеспечить оптимальную траекторию сканирования, и соответственно наивысшую чувствительность интерферометра.

Другой вариант выполнения предлагаемого способа состоит в том, что в известном способе, при котором сквозь оптический элемент пропускают измерительный пучок лучей света, параллельно измерительному пучку сквозь исследуемый оптический элемент пропускают геометрически подобный ему опорный пучок взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков относительно частоты света другого из них, совмещают оба пучка и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции и измеряя фазы полученных сигналов, согласно изобретению ось опорного пучка сдвигают параллельно относительно оси измерительного пучка на заданную величину и в заданном направлении в плоскости интерференционной картины, при этом последовательно изменяют угол заданного направления сдвига и для каждого угла измеряют распределение фаз в плоскости интерференционной картины, и по результатам измерений определяют оптические характеристики оптического элемента для каждого из этих направлений сдвига.

Это позволяет упростить алгоритм определения характеристик исследуемого оптического элемента, расширить диапазон измерения и уменьшить влияние механических вибраций и температурных колебаний на точность измерения.

При этом целесообразно исходный и опорный пучки света фокусировать на задней главной плоскости оптического элемента, перемещать точку фокусировки в этой плоскости, в каждой заданной точке за контролируемым оптическим элементом преобразовать проинтерферировавший свет в электрический сигнал и измерять фазу этого электрического сигнала.

Это позволяет исключить возможную систематическую погрешность измерения, вносимую сопрягающей оптической системой, и снизить требования к точности сопряжения задней главной плоскости контролируемого оптического элемента с плоскостью регистрации интерференционной картины.

Задача изобретения решается также тем, что известный лазерный интерферометр, включающий лазер, коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, устройство направления опорного пучка параллельно измерительному, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь и по меньшей мере один блок измерения фазы электрического сигнала, подключенный к этому преобразователю, согласно изобретению содержит также устройство, сдвигающее ось опорного пучка относительно оси измерительного пучка на заданную величину в заданном направлении в плоскости интерференционной картины, устройство, изменяющее угол этого направления относительно исследуемого оптического элемента, снабженное датчиком угла поворота, подключенным к блоку регистрации результатов измерения фаз и координат, а также устройством управления углом направления сдвига, подключенным к вычислительному устройству.

Это позволяет реализовать наиболее простой алгоритм определения оптических характеристик оптических элементов и повысить точность измерения.

Система оптического сопряжения может быть выполнена в виде объектива, установленного перед фотоэлектрическим преобразователем.

Это позволяет наиболее простыми средствами осуществить сопряжение плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента.

Целесообразно систему оптического сопряжения выполнить в виде фокусирующей оптической системы, установленной перед светоделителем, а двухстепенной узел сканирования интерференционной картины выполнить в виде двухстепенного сканера луча света и установить между упомянутой фокусирующей оптической системой и светодителем.

Это позволяет избавиться от влияния волновых аберраций сопрягающей оптической системы на точность измерения.

Двухстепенной узел сканирования интерференционной картины может содержать узел сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости и узел поворота плоскости сканирования относительно оси пучка.

Это позволяет обеспечить оптимальную траекторию сканирования, и соответственно наивысшую чувствительность интерферометра.

На фиг. 1 изображено распределение разности хода сферического и плоского волновых фронтов; на фиг. 2 схема одного из возможных вариантов устройства с использованием интерференции двух пучков света и сопрягающей оптической системой; на фиг. 3 схема одного из вариантов устройства с применением фокусировки пучка лучей на задней главной плоскости исследуемого оптического элемента; на фиг. 4 схема одного из примеров конкретного выполнения устройства с использованием оптического двухполосного частотного модулятора в качестве устройства смещения частоты и поляризатора для выделения одинаковых направлений поляризации интерферирующих пучков; на фиг. 5 схема одного из возможных вариантов устройства с поперечным сдвигом интерферирующих пучков лучей; на фиг. 6 упрощенные схемы возможного варианта устройства, иллюстрирующие применение фазовых полуволновых пластинок для обеспечения симметрии плеч интерферометра.

Один из вариантов способа определения характеристик оптических элементов осуществляется следующим образом.

На пути одного из двух когерентных коллимированных пучков света, образованных от общего источника, устанавливается исследуемый оптический элемент (линза, клин, плоскопараллельная пластинка). Исходный плоский волновый фронт при прохождении этого элемента приобретает деформацию определенного вида. В идеальном случае поверхность волнового фронта сферическая. В общем случае уравнение волновой поверхности в параксиальном приближении может быть представлено уравнением эллиптического параболоида (в фазовом выражении)
Φ(x,y) = ax²+2bxy+cy²+2dx+2fy+h,
где Φ(x,y) распределение фазы волны в декартовых координатах X и Y в плоскости, перпендикулярной оптической оси исследуемого элемента;
a, b, c, d, f и h постоянные коэффициенты.

Согласно изобретению, величина Φ(x,y) определяется по интерференционной картине, образованной путем совмещения двух упомянутых пучков света: с исходной плоской (опорной) волной и волной, деформированной исследуемым оптическим элементом, как разность фаз двух интерферирующих волновых фронтов. При этом в одном из интерферирующих пучков, например опорном, задают смещение исходной оптической частоты света ω на некоторую величину W, принадлежащую радиочастотному диапазону, и при фотоэлектрическом преобразовании сигнала интерференционной картины получают переменный электрический сигнал частоты W, фаза которого, равная разности фаз интерферирующих волновых фронтов, измеряется известными радиотехническими способами. Для осуществления такого совмещения оптически сопрягают заднюю главную плоскость исследуемого оптического элемента с плоскостью регистрации интерференционной картины. Измеренные таким образом во множестве точек интерференционной картины значения v(x,y) аппроксимируют полином вида (1) и из коэффициентов полинома а, b, с, d, f и h определяются характеристики исследуемого оптического элемента.

Координаты точки O соприкосновения волновых фронтов (исследуемого и опорного) X_о и Y_о (фиг. 1), интерпретируемые как координаты вершины параболоида.

Угол α^* разворота главных осей эллипса, лежащего в сечении указанного параболоида какой-либо плоскостью, параллельной плоскости OXY, характеризует направление астигматизма, вносимого исследуемым оптическим элементом и определяется из выражения

Осуществляя перенос координат в точку с координатами X_о, Y_о и разворот координатных осей на угол α^* (параллельно главным осям упомянутого эллипса) получим уравнение волнового фронта в новых координатах x и η.

Оптические силы f_ξ и φ_η по осям O_ξ и O_η, обратнопропорциональные соответствующим радиусам волнового фронта, могут быть определены как

где l длина волны света;
A и B постоянные коэффициенты.

Различие величин F_ξ и Φ_η характеризует астигматичность исследуемого оптического элемента.

Если произвести замену уравнения, аппроксимирующего волновой фронт на выходе исследуемого оптического элемента уравнением параболоида и вращения и перейти к полярным координатам, то получим
Φ(ρ) = Eρ²+h′ (2)
где ρ радиус точки относительно оптической оси ;
E постоянный коэффициент.

Аппроксимируя измеренные значения v(ρ) во множестве точек интерференционной картины выражением (3), находят интегральную оптическую силу исследуемого элемента

Для клиньев и плоскопараллельных пластин коэффициенты а, b и с в выражении (1) могут быть приравнены к нулю, поскольку форма прошедшего через исследуемый элемент волнового фронта в данном случае близка к плоской.

Угол d волнового клина, вносимого исследуемым оптическим элементом, в данном случае определяется по формуле

Угловая ориентация клина определяется по формуле

По данным измерений можно определить и волновую аберрацию исследуемого элемента. Известно, что волновая аберрация W в некоторой точке зрачка оптического элемента с координатами X и Y это расстояние между реальным волновым фронтом и сферой сравнения вдоль радиуса сферы сравнения. В результате осуществляемых измерений определяют отклонения волнового фронта от идеальной формы оптической оси исследуемого элемента.

Способ позволяет по данным измерений одновременно с высокой точностью определять как различные интегральные характеристики оптических элементов (оптическую силу, положение центра волнового фронта, угол и напряжение волнового клина), так и характеристики качества исследуемого оптического элемента его астигматизм и волновую аберрацию.

Если опорный пучок когерентного излучения пропустить сквозь исследуемый оптический элемент параллельно измерительному пучку, обеспечив сдвиг оси этого пучка относительно оси измерительного пучка по одной из координат, например κ, не некоторую величину S, то уравнение фазы волны вдоль направления сдвига будет описываться выражением
v(κ) = kκ+l (3)
где k и l постоянные коэффициенты.

Величина Φ(κ) определяется по интерференционной картине двух упомянутых пучков света, прошедших исследуемый оптический элемент, как разность фаз двух интерферирующих сферических волновых фронтов. В одном из интерферирующих пучков, например опорном, задают смещение исходной оптической частоты света на некоторую величину Ω, принадлежащую радиочастотному диапазону, и при последующем фотоэлектрическом преобразовании сигнала интерференционной картины получают переменный электрический сигнал частоты W, фаза которого равна искомой разности фаз интерферирующих волновых фронтов и может быть измерена известными радиотехническими способами. При этом главная плоскость исследуемого оптического элемента оптически сопряжена с плоскостью регистрации интерференционной картины.

Измеренные таким образом во множестве точек интерференционной картины вдоль заданного направления сдвига значения v(κ) аппроксимируют полиномом вида (5) и из полученных коэффициентов полинома k и l определяют характеристики исследуемого оптического элемента.

Оптическая сила исследуемого элемента вдоль заданного направления сдвига определяется как

Изменяя направления сдвига волновых фронтов, можно определить значения оптической силы по различным направлениям. Максимальное и минимальное из полученных значений оптической силы и соответствующие им направления сдвига волновых фронтов характеризуют астигматичность (соответственно величину и направление) исследуемого элемента.

Если исследуемый оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину или оптический клин с углом наклона волнового фронта , то выражение для разности фаз во всех точках интерференционной картины имеет одинаковое значение и для каждого направления сдвига

где δ_s= δ cosd угол наклона исследуемого волнового фронта вдоль направления сдвига;
α угол между осью клина и направлением сдвига.

Определяя среднее значение фазы по полю интерференционной картины для различных направлений сдвига a, находят положение α^* максимума в распределении среднего значения фазы по углу, соответствующее направлению волнового клина исследуемого оптического элемента, а также максимальное значение средней фазы, из которой по формуле (4) определяют величину волнового клина оптического элемента.

Если распределение фаз в плоскости интерференционной картины для каждого угла направления сдвига аппроксимировать двумерным полиномом первой степени то можно оценивать волновую аберрацию оптического элемента по отклонению фазы в каждой точке интерференционной картины от аппроксимирующей плоскости.

Если исследуемый и опорный пучки света фокусировать на задней главной плоскости исследуемого оптического элемента и сканировать или плоскость зрачка оптического элемента, а в каждой точке за контролируемом оптическим элементом преобразовывать проинтерферировавший свет в электрический сигнал и измерять фазу электрического сигнала, то аппроксимируя как и ранее результаты измерения полиномами вида (1) или (3) (в зависимости от выбранного способа измерений) возможно определить параметры исследуемого оптического элемента из коэффициентов полинома.

На фиг. 2 изображена схема возможного варианта конкретного выполнения предложенного устройства. На схеме показаны лазер 1, коллимирующая оптическая система 2, светоделитель 3, исследуемый оптический элемент 4, фокусирующая линза 5, устройство 6 смещения частоты, коллимирующая линза 7, зеркала 8 и светоделитель 9, образующие зеркальный блок совмещения, сопрягающая оптическая система 10, приемная диафрагма 11, фотоэлектрический преобразователь 12, двухстепенный узел 13 сканирования, датчик 14 координат, блок 15 измерения фазы, блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат, вычислительное устройство 17 и устройство 18 управления узлом сканирования.

Устройство работает следующим образом.

Пучок лучей от лазера 1 с исходной оптической частотой w расширяется коллимирующей оптической системой 2 и разделяется светоделителем 3 на два пучка, образующих два плеча интерферометра измерительное и опорное. Пучок лучей измерительного плеча направляется на исследуемый оптический элемент 4, а пучок лучей опорного плеча проходит через фокусирующую линзу 5, устройство смещения частоты 6 и коллимирующую линзу 7. Устройство смещения частоты 6 осуществляет оптическую частотную модуляцию проходящего через него излучения, в результате чего излучение на его выходе имеет смещенную относительно исходной частоту w+Ω, где Ω частота модуляции устройства 6, принадлежащая радиочастотному диапазону спектра. Далее измерительный и опорный пучки проходят зеркальный блок совмещения, содержащий зеркала 8 и светоделитель 9 и попадают в сопрягающую оптическую систему 10, плоскость предметов которой совпадает с задней главной плоскостью исследуемого элемента, а плоскость изображений с плоскостью регистрации интерференционной картины. На выходе сопрягающей системы опорный и измерительный пучки лучей смешиваются и интерферируют в плоскости приемной диафрагмы 11 фотоэлектрического преобразователя 12, определяющий положение плоскости регистрации интерференционной картины. В результате на выходе фотоэлектрического преобразователя 12 имеем переменный электрический сигнал

частота которого Ω есть частота модуляции устройства 6, а фаза равна разности фаз интерферирующих пучков.

Для осуществления фотоэлектрического преобразования сигнала во множестве точек интерференционной картины служит двухстепенной узел 13 сканирования интерференционной картины, осуществляющий перемещение фотоэлектрического преобразователя 12 совместно с приемной диафрагмой 11 по двум координатам X и Y в плоскости интерференции. Для определения координат перемещения служит датчик координат 14, а для определения фазы электрического сигнала 5 на выходе фотоэлектрического преобразователя 12 установлен блок 15 измерения фазы. Далее информация с датчика 14 координат и с блока 15 измерения фазы поступает в блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат подключенный к вычислительному устройству 17, которое осуществляет аппроксимацию результатов измерений производит вычисление характеристик исследуемого оптического элемента из коэффициентов аппроксимирующего полинома и выдает информацию, необходимую для работы устройства 18 управления узлом сканирования интерференционной картины.

Устройство по сравнению с устройством-прототипом обладает расширенными функциональными возможностями (возможностью определения оптической силы, децентрировки, волнового клина оптического элемента, а также волновых аберраций), повышенной точностью измерения (за счет применения радиотехнических средств для измерения разности фаз интерферирующих пучков).

Дополнительный технический эффект заключается в автоматизированной обработке измерительной информации, осуществляемой в реальном масштабе времени.

На фиг. 3 изображена схема другого примера конкретного выполнения предложенного устройства. На схеме показаны лазер 1, коллимирующая оптическая система 2, светоделитель 3, исследуемый оптический элемент 4, фокусирующая линза 5, устройство 6 смещения частоты, зеркала 8 и светоделитель 9, образующие зеркальный блок совмещения, приемная диафрагма 11, фотоэлектрический преобразователь 12, двухстепенной узел 13 сканирования, датчик 14 координат, блок 15 измерения фазы, блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат, вычислительное устройство 17, устройство 18 управления узлом сканирования и фокусирующая оптическая система 19.

Устройство в таком варианте работает следующим образом.

Пучок световых лазера 1 на выходе коллимирующей оптической системы 2, фокусируется фокусирующей оптической системой 19 и разделяется светоделителем 3 на два пучка, образующих два плеча интерферометра измерительное и опорное. Фокальная плоскость фокусирующей системы совпадает с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента 4. В опорном плече интерферометра расположено устройство 6 смещения частоты, осуществляющее сдвиг исходной частоты оптического излучения на величину W, принадлежащую радиодиапазону спектра. Пучки лучей опорного и измерительного плеч совмещаются при помощи зеркал 8 и светоделителя 9 и интерферируют. Интерференционная картина регистрируется при помощи фотоэлектрического преобразователя 12, на выходе которого образуется переменный электрический сигнал вида (5), фаза которого v несет информацию о разности фаз опорного и измерительного пучков.

Для сканирования луча света измерительного пучка по координатам X и Y в плоскости диаметрального сечения исследуемого элемента служит двустепенной узел 13 сканирования, перемещающий контролируемый оптический элемент относительно неподвижного измерительного пучка лучей. Для определения координат оптического элемента имеется датчик 14 координат, а для измерения фазы электрического сигнала фотоэлектрического преобразователя 12 к его выходу подключен блок 15 измерения фазы. Информация с датчика 14 координат и блока 15 измерения фазы поступает в блок 16 регистрации измерения фаз и координат и далее в вычислительное устройство 17, которое осуществляет аппроксимацию результатов измерений, производят расчет характеристик исследуемого элемента из коэффициентов аппроксимирующего полинома и выдает информацию, необходимую для работы управляющего устройства 18, осуществляющего управление узлом 13 сканирования. Точность измерения повышается за счет исключения возможной систематической погрешности измерений, вносимой аберрациями сопрягающей оптической системы.

На фиг. 4 показаны лазер 1, коллимирующая оптическая система 2, исследуемый оптический элемент 4, фокусирующая линза 5, коллмирующая линза 7, зеркала 8 и светоделитель 9, образующие зеркальный блок совмещения, сопрягающая оптическая система 10, приемная диафрагма 11, фотоэлектрический преобразователь 12, двухстепенной узел 13 сканирования, датчик 14 координат, блок 15 измерения фазы, блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат, вычислительное устройство 17, устройство 18 управления узлом сканирования, оптический частотный модулятор 20, поляризационный светоделитель 21 и поляризатор 22.

Устройство работает следующим образом.

Пучок лучей от лазера 1 с исходной частотой w претерпевает двухполосную оптическую частотную модуляцию в модуляторе 20, в результате которой на выходе модулятор образуются две коллинеарные компоненты, имеющие ортогональные поляризации и оптические частоты w и ω+Ω, отличающиеся на частоту модуляции W, лежащую в радиочастотном диапазоне. Эти две компоненты разделяются в пространстве поляризационным светоделителем 21, образуя два плеча интерферометра измерительное и опорное. Чтобы в дальнейшем пучки лучей измерительного и опорного плеч могли образовывать интерференционную картину в плоскости приемной диафрагмы 11, их поляризации приводятся к одному направлению при помощи поляризатора 22, устанавливаемого перед диафрагмой 11.

В схемах устройств, показанных на фиг. 4 и 5 устройство смещения частоты расположено в одном из плеч интерферометра, поэтому любые возникающие в нем фазовые искажения (из-за колебаний температуры, напряжения питания и прочие) будут вносить соответствующую разность фаз в интерферирующие пучки лучей. В устройстве как измерительный, так и опорный пучки лучей проходят через модулятор, поэтому вносимые им фазовые искажения и в опорном и в измерительном пучках будут одинаковы и не образуют дополнительной разности фаз между измерительным и опорным пучками лучей.

На схеме показаны лазер 1, коллимирующая оптическая система 2, светоделитель 3, исследуемый оптический элемент 4, фокусирующая линза 5, устройство 5 смещения частоты, коллимирующая линза 7, зеркала 8 и светоделитель 9, образующие зеркальный блок совмещения, сопрягающая оптическая система 10, приемная диафрагма 11, фотоэлектрический преобразователь 12, датчик 14 координат, блок 15 измерения фазы, блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат, вычислительное устройство 17, устройство 18 управления узлом сканирования, узел 23 сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости и узел 24 поворота плоскости сканирования.

Устройство работает следующим образом.

Пучок лучей от лазера 1 коллимируется оптической системой 2 и разделяется светоделителем 3 на два канала. В одном из каналов расположена фокусирующая линза 7. На выходе устройства 6 излучение приобретает сдвиг частоты на величину W, принадлежащую радиочастотному диапазону. Далее пучки лучей обоих каналов совмещаются в устройстве совмещения, состоящем из зеркал 8 и светоделителя 9 таким образом, что один из пучков имеет поперечный сдвиг относительно другого на некоторую величину S. Далее оба пучка проходят через исследуемый оптический элемент 4 и сопрягающую оптическую систему 10, плоскость предметов которой совпадает с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента 4, а плоскость изображения лежит в плоскости приемной диафрагмы 11 фотоэлектрического преобразователя 12. Пучки лучей, прошедшие через исследуемый оптический элемент, интерферируют в плоскости диафрагмы 11, и на выходе фотоэлектрического преобразователя выделяется переменный электрический сигнал вида (5), фаза которого измеряется в блоке 15 измерения фазы. Узел 23 сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости осуществляет сканирование интерференционной картины фотодетектором 12 с диафрагмой 11 вдоль направления сдвига интерферирующих пучков, а узел 24 поворота плоскости сканирования осуществляет разворот исследуемого оптического элемента и тем самым изменяет угол заданного направления сдвига в координатной плоскости, в которой лежит исследуемый оптический элемент. Датчик 14 координат измеряет величину перемещения узлов 11 и 12 и угол поворота элемента 4. Информация с датчика 14 координат и блока 15 измерения фазы поступает в блок 16 регистрации результатов измерения фаз и координат, а оттуда передается в вычислительное устройство 17, которое осуществляет аппроксимацию результатов измерений производит вычисление характеристик исследуемого элемента по коэффициентам аппроксимирующего полинома и выдает информацию, необходимую для работы устройства 18 управления узлами 23 и 24 сканирования.

Технический эффект изобретения состоит в увеличении диапазона измерений при сохранении наивысшей достижимой точности измерения.

На фиг. 6 изображена упрощенная схема возможного варианта устройства. На схеме показаны лазер 1, исследуемый оптический элемент 4, зеркала 8, оптический частотный модулятор 20, поляризационный светоделитель 21 полуволновая фазовая пластинка 25. Здесь две компоненты излучения, выходящие из модулятора 20 и поляризованные во взаимноперпендикулярных плоскостях, разделяются поляризационным светоделителем 21 таким образом, что составляющая, вектор поляризации которой лежит в плоскости чертежа, полностью проходит через светоделитель, а другая полностью отражается. При использовании для совмещения прошедших через исследуемый оптический элемент такого же поляризационного светоделителя 21 (для уменьшения потерь света) необходимо так расположить последний, чтобы составляющая, вектор поляризации которой лежит в плоскости чертежа полностью проходила через этот второй светоделитель, а другая полностью отражалась. Это приводит к несимметричности плеч интерферометра.

Если установить в обоих плечах интерферометра полуволновую фазовую пластинку 25 (фиг. 7), то возможно расположить выходной поляризационный светоделитель 21 так, чтобы оптическая длина пути в обоих плечах интерферометра была одинакова, что обеспечивает симметрию опорного и измерительного плеч интерферометра.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интерференционным измерительным средствам. Цель: повышение точности и расширение функциональных возможностей при определении оптических характеристик оптических элементов. Сущность изобретения: смещают частоту света одного из интерферирующих пучков на заданную величину, преобразовывают проинтерферировавший свет во множестве точек плоскости интерференции в переменные электрические сигналы, измеряют фазы полученных сигналов, аппроксимируют результаты измерения степенным полиномом и вычисляют оптические характеристики оптического элемента из найденных коэффициентов полинома. Устройство, реализующее способ, содержит вычислительное устройство, обеспечивающее управление и обработку результатов. Другой вариант способа предполагает сдвиг оси опорного пучка параллельно относительно оси измерительного пучка на заданную величину и в заданном направлении в плоскости интерференционной картины с последовательным изменением угла заданного направления сдвига и измерением распределения фаз в плоскости интерференционной картины, а по результатам измерений - определение оптических характеристик оптического элемента для каждого из этих направлений. Устройство, реализующее данный вариант способа включает в том числе устройства смещающие оси опорного пучка, изменение угла направления смещения и вычислительное устройство. 4 с. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Интерференционный способ определения оптических характеристик оптических элементов, при котором сквозь оптический элемент пропускают измерительный пучок лучей света, совмещают этот пучок с геометрически подобным ему опорным пучком взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков света относительно частоты света другого из них и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции в переменные электрические сигналы и измеряя фазы полученных сигналов, отличающийся тем, что плоскость регистрации интерференционной картины оптически сопрягают с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, а при регистрации интерференционной картины измеряют координаты заданных точек в плоскости интерференционной картины и определяют оптические характеристики оптического элемента по результатам измерения фаз и координат. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптическое сопряжение плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента осуществляют фокусировкой измерительного и опорного пучков света на задней главной плоскости исследуемого оптического элемента, при этом измерительным пучком света сканируют плоскость входного зрачка исследуемого оптического элемента. 3. Устройство для определения оптических характеристик оптических элементов, включающее лазер, установленные по ходу пучка лучей света коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, узел совмещения интерферирующих пучков света, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь, по меньшей мере один блок измерения фазы электрического сигнала, подключенный к этому преобразователю, отличающееся тем, что оно содержит систему оптического сопряжения плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, двухстепенной узел сканирования интерференционной картины с устройством управления и датчиками координат, блок регистрации результатов измерения фаз и координат, подключенный к блоку измерения фазы и датчикам координат, и вычислительное устройство, соединенное с устройством управления узлом сканирования и блоком регистрации результатов измерения фаз и координат. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство смещения частоты света выполнено в виде оптического двухполосного частотного модулятора с разделением сигналов по поляризации, управляемого радиочастотой, при этом светоделитель выполнен в виде поляризованного делителя, ориентированного своими осями параллельно осям модулятора, а перед каждым фотоэлектрическим преобразователем установлен поляризационный элемент, ориентированный своими осями под углом 45^o к осям поляризационного делителя. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на оси каждого из плеч интерферометра установлена полуволновая фазовая пластинка. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что система оптического сопряжения выполнена в виде объектива, установленного перед фотоэлектрическим преобразователем. 7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система оптического сопряжения выполнена в виде фокусирующей оптической системы, установленной перед светоделителем, а двухстепенной узел сканирования интерференционной картины выполнен в виде двухстепенного сканера луча света и установлен между упомянутой фокусирующей оптической системой и светоделителем. 8. Устройство по любому из пп.3 7, отличающееся тем, что двухстепенной узел сканирования интерференционной картины содержит узел сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости и узел поворота плоскости сканирования относительно оси одного из упомянутых пучков света. 9. Интерференционный способ определения оптических характеристик оптических элементов, при котором сквозь оптический элемент пропускают измерительный пучок лучей света, параллельно измерительному пучку сквозь исследуемый оптический элемент пропускают геометрически подобный ему опорный пучок взаимно когерентного света, задают смещение частоты света одного из указанных пучков света относительно частоты света другого из них, совмещают оба пучка и регистрируют интерференционную картину, осуществляя фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света во множестве заданных точек плоскости интерференции в переменные электрические сигналы и измеряя фазы полученных сигналов, отличающийся тем, что плоскость регистрации интерференционной картины оптически сопрягают с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, ось опорного пучка параллельно сдвигают относительно оси измерительного пучка на заданную величину и в заданном направлении в плоскости интерференционной картины, последовательно изменяют угол заданного направления сдвига и для каждого угла измеряют координаты заданных точек в плоскости интерференционной картины и определяют оптические характеристики оптического элемента по результатам измерения фаз и координат для каждого из этих направлений сдвига. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что оптическое сопряжение плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента осуществляют фокусировкой измерительного и опорного пучков света на задней главной плоскости исследуемого оптического элемента и сканируют ими плоскость входного зрачка оптического элемента. 11. Устройство для определения оптических характеристик оптических элементов, включающее лазер, коллиматор, светоделитель, устройство смещения частоты света, устройство направления опорного пучка параллельно измерительному, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь и по меньшей мере один блок измерения фазы электрического сигнала, подключенный к этому преобразователю, отличающееся тем, что оно содержит систему оптического сопряжения плоскости регистрации интерференционной картины с задней главной плоскостью исследуемого оптического элемента, двухстепенной узел сканирования интерференционной картины с устройством управления и датчиками координат, блок регистрации результатов измерения фаз и координат, подключенный к блоку измерения фазы и датчикам координат, вычислительное устройство, соединенное с устройством управления узлом сканирования и блоком регистрации результатов измерения фаз и координат, устройство, сдвигающее ось опорного пучка относительно оси измерительного пучка на заданную величину в заданном направлении в плоскости интерференционной картины, устройство, изменяющее угол этого направления относительно оси одного из упомянутых пучков света, снабженное датчиком угла поворота, подключенным к блоку регистрации результатов измерения фаз и координат, а также устройством управления направления сдвига, подключенным к вычислительному устройству. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что система оптического сопряжения выполнена в виде объектива, установленного перед фотоэлектрическим преобразователем. 13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что система оптического сопряжения выполнена в виде фокусирующей оптической системы, установленной перед светоделителем, а узел сканирования интерференционной картины и устройство, изменяющее угол направления сдвига, выполнены в виде сканеров луча света. 14. Устройство по любому из пп.11 13, отличающееся тем, что двухстепенной узел сканирования интерференционной картины содержит узел сканирования интерференционной картины в диаметральной плоскости и узел поворота плоскости сканирования относительно оси одного из упомянутых пучков света.