УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/24 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а также к гелио-, свето- и контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения и контроля формы отражающих поверхностей оптическими методами, и может быть использовано для технологического и аттестационного измерения и контроля вогнутых оптических поверхностей элементов адаптивной оптики, телескопов, фацет гелиоконцентратора и т.д. типа сфероидов, параболоидов, эллипсоидов, гиперболоидов, асферических, например торических, зеркал и т.п.

В настоящее время все более широкое распространение получают такие экологически чистые источники энергии, как гелиоустановки различных типов. Это связано как со значительным подорожанием традиционных источников энергии, основанных на сжигании нефти, газа, угля и их продуктов, так и с возникающим при этом загрязнением окружающей среды. Поэтому проблема создания относительно дешевых и быстро изготавливаемых и при этом с высоким КПД фокусирующих оптических систем с криволинейной отражающей поверхностью встала достаточно остро.

Связано это с тем, что оптические системы гелиоустановок средней и высокой мощности обычно состоят из большого числа одинаковых крупногабаритных (до 1 м) вогнутых зеркал, предназначенных для концентрации солнечного излучения на окно преобразователя энергии. От качества зеркал концентратора во многом зависит КПД гелиоустановки. При создании крупногабаритных составных солнечных концентраторов возникают проблемы, связанные с необходимостью измерения формы и оценки качества поверхности их оптических элементов. В связи с этим разработка измерительных систем для измерения формы и оценки качества поверхности солнечных зеркал является существенной частью программ развития солнечных технологий.

Существующие системы для измерения формы и оценки качества поверхности солнечных зеркал, использующие, например, известные теневые методы контроля поверхностей оптических элементов, обычно достаточно трудоемки и достаточно длительны по времени, и их нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора.

Известно устройство для контроля поверхностей оптических элементов, содержащее источник излучения и последовательно расположенные по ходу световых лучей задающую диафрагму, полупрозрачную платину, анализирующую диафрагму и регистрирующий блок (М. кл. G 02 В 11/24, авт. свид. СССР N 977946, 1982).

Недостатком известного технического решения является трудоемкость и большая длительность обработки получаемых на таком устройстве результатов, в результате чего его нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров, контроль качества поверхности которых может носить лишь качественный характер в виде оценки знака и диапазона величин наблюдаемых локальных искажений поверхности, не претендуя на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которой отличается настоящее устройство.

Кроме того, контроль формы и оптического качества поверхности зеркал в известном устройстве является неполным, так как не позволяет оценивать интегральные энергетические характеристики поверхности зеркала.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для контроля поверхностей оптических элементов, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу лучей первый светоделитель, фокусирующий объектив, первую диафрагму, объектив, передний фокус которого совмещен с первой диафрагмой, второй светоделитель и расположенный в выходном пучке блок регистрации, при этом по ходу отраженных первым светоделителем лучей размещены второй фокусирующий объектив с установленной в его заднем фокусе второй диафрагмой и контролируемый оптический элемент (М. кл. G 02 В 11/24, авт. свид. СССР N 1712778, 1992).

Недостатком прототипа является сложность его оптической схемы, а также трудоемкость и большая длительность обработки получаемых на таком устройстве результатов, в результате чего его нецелесообразно использовать для измерения формы и контроля оптического качества большого числа (нескольких сотен) относительно дешевых и требующих быстрого по времени изготовления однотипных дешевых зеркал, например, составного солнечного концентратора, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров, контроль качества поверхности которых может носить лишь качественный характер в виде оценки знака и диапазона величин наблюдаемых локальных искажений поверхности, не претендуя на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которой отличается настоящее устройство.

Кроме того, контроль формы и оптического качества поверхности зеркал в прототипе является неполным, так как не позволяет оценивать интегральные энергетические характеристики поверхности зеркала.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения дополнительного контроля поверхности зеркала посредством оценки его интегральных энергетических характеристик.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля поверхностей оптических элементов, содержащем источник излучения и последовательно установленные по ходу лучей контролируемый оптический элемент и оптически сопряженный с ним светоделитель, последовательно установленные первая диафрагма и блок регистрации, вторая диафрагма, первый и второй объективы, в отличие от прототипа, в него введены второй блок регистрации и полупрозрачный экран, диафрагмы выполнены в виде системы по крайней мере двух теневых диафрагм, размещенных аксиально симметрично вдоль первой оптической оси, формируемой ходом отраженной от светоделителя части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента, в фокальной области последнего между светоделителем и первым блоком регистрации, при этом вторая диафрагма размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси, первый и второй объективы выполнены в виде оптической системы, причем полупрозрачный экран, оптическая система и второй блок регистрации установлены последовательно на второй оптической оси, формируемой ходом прошедшей через светоделитель части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента.

Каждая теневая диафрагма может быть выполнена в виде непрозрачного экрана круговой формы с диаметром, меньшим эффективного размера фокального пятна от контролируемого оптического элемента.

Диаметр непрозрачного экрана может быть выполнен с размером, составляющим 0,9 от эффективного размера фокального пятна.

Полупрозрачный экран может быть выполнен с системой калибровочных отверстий для определения масштаба видеоизображения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для контроля поверхностей оптических элементов (солнечных зеркал).

Устройство для контроля поверхностей оптических элементов содержит источник излучения (на схеме не показан), последовательно установленные по ходу лучей контролируемый оптический элемент 1 и оптически сопряженный с ним светоделитель 2, систему 3 теневых диафрагм, каждая в виде непрозрачного экрана 4,5 круговой формы с диаметром, меньшим эффективного размера фокального пятна от контролируемого оптического элемента 1, и размещенных аксиально симметрично вдоль первой оптической оси, формируемой ходом отраженной от светоделителя 2 части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента 1, в фокальной области последнего между, светоделителем 2 и первым блоком регистрации 6, при этом вторая диафрагма 4 размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси, причем полупрозрачный экран 7 с системой калибровочных отверстий 8 для определения масштаба видеоизображения, оптическая система 9 в виде первого и второго объективов 10, 11 и второй блок регистрации 12 установлены последовательно на второй оптической оси, формируемой ходом прошедшей через светоделитель 2 части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента 1.

Устройство для контроля поверхностей оптических элементов работает следующим образом.

В предложенном техническом решении было разработано устройство для контроля поверхностей оптических элементов, реализующее упрощенный теневой метод с использованием системы теневых диафрагм 4,5, размещенных аксиально симметрично вдоль оптической оси в фокальной области от контролируемого оптического элемента 1 (зеркала), который позволяет оценить лишь знак и диапазон величин наблюдаемых локальных искажений поверхности.

Основная диафрагма 5 размещена в фокальной плоскости контролируемого оптического элемента 1 (зеркала). Дополнительная диафрагма 4 размещена между фокальной плоскостью контролируемого оптического элемента 1 (зеркала) и полупрозрачным экраном 7. Расстояние между диафрагмами 4,5 оценивается для каждого конкретного фокального расстояния оптического элемента 1 (зеркала). Размеры диафрагм равны. Диафрагма 4 размещена с возможностью ее отвода с первой оптической оси.

Применение кругового экрана вместо классической теневой диафрагмы в виде ножа Фуко является более эффективным для солнечных зеркал, отличающихся сравнительно невысоким оптическим качеством, а следовательно, достаточно большим эффективным размером фокального пятна, обычно составляющим несколько миллиметров.

Реализуемая модификация теневого метода с круговой диафрагмой является достаточно простой, носит качественный характер и не претендует на количественные измерения искажений высококачественных оптических поверхностей с целью построения карты нормальных уклонений, которыми отличаются более сложные и трудоемкие модификации.

При построении оптической схемы устройства для контроля поверхностей оптических элементов диаметр 2 r_d непрозрачного экрана (диафрагмы 5) круговой формы выбирают немного меньше эффективного размера 2 r_f фокального пятна. При этом через указанный экран (диафрагмы 5) проходит лишь часть отраженных от контролируемого оптического элемента 1, например вогнутого сферического зеркала, лучей с абсолютной величиной угловых ошибок α_d≥r_d/f, где f - фокусное расстояние исследуемого зеркала.

В этом случае нижний предел угловых ошибок отражающей поверхности исследуемого зеркала составляет величину α_dm≥α_d/2.
За верхний предел угловых ошибок отражающей поверхности контролируемого зеркала можно принять величину α_fm= r_f/2f, где r_f - эффективный радиус фокального пятна. Можно считать, что r_f≈ D(0,9)/2, где D(0,9) - эффективный диаметр фокального пятна, через который проходит 90% энергии излучения. Величину D(0,9) определяют, например, методом фокального пятна. Таким образом, расчетный диапазон угловых ошибок зеркала составляет r_d/2f<α<D(0,9)/4f.
Локальные отклонения формы отражающей поверхности зеркала от исходной (заданной) могут быть разных знаков (бугор или впадина), что приводит к соответствующему изменению хода лучей. Так, лучи отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны пересекают оптическую ось на расстояниях l₁ < f, т.е. в точках, расположенных от зеркала ближе фокальной плоскости, а лучи, отраженные от локальных искажений поверхности с большим радиусом кривизны, пересекают оптическую ось на расстояниях l₂ > f, т. е. в точках, расположенных от зеркала дальше фокальной плоскости. Для выделения отраженных лучей одного знака в рассматриваемой модификации теневого метода применяют дополнительную (вторую) диафрагму в виде непрозрачного экрана (диафрагмы 4) круговой формы с радиусом r_a, который размещают на расстоянии l_a ближе к зеркалу аксиально симметрично оптической оси. Дополнительная (вторая) теневая диафрагма 4 отсекала лучи, отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны, которые пересекают оптическую ось на расстояниях l₁ < f.

Радиус r_a дополнительной (второй) теневой диафрагмы 4 выбирают примерно равным r_d, а расстояние l_a для зеркала диаметром 2a выбирают примерно равным половине эффективной длины фокальной области, т.е. l_a ≈ r_f f/a. На практике размеры 2r_a дополнительной (второй) теневой диафрагмы 4 и ее расстояние l_a от фокальной плоскости подбирают с учетом конкретной теневой картины. Для увеличения вероятности перехвата всех лучей отраженные от локальных искажений поверхности с меньшим радиусом кривизны возможно применение двух или большего числа дополнительных диафрагм, последовательно расположенных вдоль оптической оси. Однако подобная оптическая схема требует более трудоемкой настройки.

Измерения проводят на оптической трассе длиной до 10 м. В качестве источника излучения используют, например, оптическую систему лазерного интерферометра фирмы Zygo, США, с расширителем (на схеме не показан) для формирования высококачественного плоскопараллельного пучка диаметром 460 мм с равномерным распределением интенсивности по всей поверхности оптического элемента 1 (зеркала). Отраженный от всей поверхности контролируемого зеркала пучок попадает на светоделитель (полупрозрачный плоский наклонный элемент) 2, на котором происходит разделение его на две части.

Проходящая часть пучка попадала на полупрозрачный экран 7. Изображение фокального пятна на тыльной стороне экрана 7 наблюдают с помощью оптической системы 9 вторым блоком регистрации 12. В качестве второго блока регистрации 12 используют, например, матричный фотоприемник в виде видеокамеры 13 типа WV-CD50 фирмы Panasonic, США, с числом элементов, равным 500х582. Сигнал с видеокамеры поступал на видеомонитор 14 и на компьютер 15 с системой обработки видеоизображений типа PIP фирмы MATROX, Канада.

Полупрозрачный экран 7 предназначен для получения изображения фокального пятна.

Оптическая система 9, состоящая из двух объективов 10, 11, предназначена для переноса увеличенного изображения фокального пятна с полупрозрачного экрана 7 на матрицу фотоприемников видеокамеры 13, входящей в блок регистрации 12, и позволяет наблюдать фокальные пятна размером от 0,5 до 5 мм.

В качестве объективов 10, 11 оптической системы 9 используются, например, объектив "Гелиос" от фотоаппарата "Зенит" и объектив видеокамеры 13 типа WV-CD50 фирмы "Panasonic" соответственно. Размещение объективов 10, 11 друг относительно друга соответствует так называемой системе размещения "face to face".

Для определения масштаба видеоизображения на мониторе 14 видеокамеры 13 применяют, например, систему калибровочных отверстий 8 диаметром около 0,1 мм, выполненную на полупрозрачном экране 7 на расстояниях 1 мм друг от друга, которая наблюдалась одновременно с фокальным пятном на видеомониторе и дисплее. В принципе возможно использование и иной системы калибровки, в том числе и непосредственно на полупрозрачном экране 7.

Отраженная от светоделителя 2 часть пучка попадает на описанные выше теневые диафрагмы 4,5, а часть рассеянных лучей после прохождения над краем круговой диафрагмы в фокальной плоскости попадает в объектив видеокамеры первого блока регистрации 6, настроенной на изображение исследуемого зеркала.

Изображение зеркала в рассеянных лучах наблюдают, например, матричным фотоприемником, в качестве которого используют ту же видеокамеру, что и во втором блоке регистрации 12. Сигнал с видеокамеры поступает на указанные выше видеомонитор 14 и на компьютер 15 с системой обработки видеоизображений.

С помощью специальной программы изображение теневой картины зеркала оцифровывают, записывают в буфер памяти системы обработки видеоизображений и в файл с растровым форматом. Изображение, записанное в буфере памяти системы обработки изображений, наблюдают на дополнительном дисплее 16.

Дальнейшую обработку видеоизображений фокального пятна проводят с применением специально разработанной программы, которая позволяет с помощью графического редактора выбрать требуемый прямоугольный фрагмент изображения фокального пятна (полигон), определить его энергетический центр и вычислить радиальное распределение энергии относительно данного центра с точностью до 2%. Программа позволяет оценить для заданных значений энергии (0,9 и др.) эффективные диаметры фокального пятна с точностью до 0,1 мм. Информацию выводят на дисплей 16 компьютера 15 в графическом и цифровом виде или записывают в электронный файл в стандартном формате.

Суммарную энергию E(1)в фокальном пятне вычисляют путем сложения значений яркости всех точек выбранного фрагмента изображения. Энергетический центр фокального пятна определяют с помощью разработанного алгоритма, основанного на последовательном разбиении полигона на две прямоугольные области сначала вдоль вертикальной оси Y, а затем - вдоль горизонтальной оси X, с последующим вычислением и сравнением суммарной яркости всех точек в указанных областях. Затем в двух взаимно-перпендикулярных сечениях, проходящих через вычисленный энергетический центр, строят энергетические профили фокального пятна.

Для определения относительного радиального распределения энергии q(R) = E(R)/E(1) в программе проводят последовательное вычисление суммарной яркости E(R) всех точек в круговых зонах относительно энергетического центра, радиус R которых увеличивается с заданным шагом. Результаты расчетов выводят на дисплей в виде графика q(R), а также в текстовом виде. При совпадении расчетной величины q(R) с одним из заданных значений q(R) = 0,9 и др. проводят окружность с данным R относительно энергетического центра, а величина D ее диаметра выводится на экран дисплея.

Значения яркости точек выбранного фрагмента изображения на экране дисплея передаются 16 псевдоцветами из палитры графического адаптера. Для вывода информации на графический принтер проводят перевод изображения в другую палитру из 6 псевдоцветов, указанных на шкале около полигона.

Обработку теневых картин проводят с применением специально разработанной программы, которая позволяет с помощью графического редактора выбирать требуемый прямоугольный фрагмент изображения (полигон), перекрашивать в другой цвет и производить графическое вычитание или сложение двух теневых картин.

Методика построения теневой картины исследуемого зеркала состоит в следующем. Сначала регистрируют описанным выше способом первую теневую картину при наличии лишь одной теневой диафрагмы 5 в фокальной плоскости, которая фиксирует все рассеянные лучи (обоих знаков), отраженные от зеркала. После указанной выше обработки эту картину перекрашивают в заданный цвет. Затем регистрируют вторую теневую картину 2 с двумя теневыми диафрагмами 4, 5, которая фиксирует лишь рассеянные лучи одного знака, пересекающие оптическую ось на расстояниях 1 > f, т.е. в точках, расположенных от зеркала дальше фокальной плоскости. После указанной выше обработки эту вторую картину перекрашивают в другой заданный цвет. С помощью указанной выше программы производят графическое вычитание второй картины из первой. Полученное в результате этой операции изображение представляет собой третью теневую картину зеркала в рассеянных лучах другого знака, пересекающих оптическую ось на расстояниях 1 < f, т.е. в точках, расположенных от зеркала ближе фокальной плоскости. Эту третью картину перекрашивают в третий заданный цвет. Затем с помощью той же программы проводят графическое сложение первой и третьей картин. Полученное таким образом компьютерное изображение представляет собой теневую картину исследуемого зеркала, ошибки формы которого изображены различными цветами.

На фиг. 2 представлены результаты контроля описанным выше методом гексагонального металлического зеркала размером 416 мм, толщиной 13 мм, предназначенного для работы в составе солнечного концентратора. Оптическая поверхность зеркала выполнена вогнутой сферической с фокусным расстоянием 8120 мм с использованием метода алмазного точения. В схеме контроля, представленной на фиг. 2. применялись две теневые диафрагмы диаметром 6 мм, выполненные из непрозрачного материала и прикрепленные к плоским стеклянным пластинам. Основная диафрагма размещалась в фокальной плоскости, дополнительная - ближе к зеркалу на расстоянии 200 мм от основной. В левом верхнем углу фиг. 2 представлена энергетическая картина фокального пятна зеркала, на которой отмечен его энергетический центр и эффективный диаметр D(0,9) = 7,7 мм, через который проходит 90% энергии излучения, в центральной части фиг. 2 представлена теневая картина исследуемого зеркала, полученная с использованием предлагаемого технического решения, на которой искажения поверхности разных знаков выделены различными цветами: вогнутые - зеленым, выпуклые - коричневым. Как следует из теневой картины, искажения сферической формы поверхности наблюдаются в основном вблизи краев зеркала, что, по-видимому, объясняется механическими напряжениями в материале зеркала, обусловленные его гексагональной формой. На теневой картине отчетливо наблюдаются локальные искажения поверхности, обусловленные деформациями зеркала в местах его креплений к юстировочному устройству. Под теневой картиной приведена оценка диапазона угловых ошибок поверхности, равная 0,37 < α < 0,5 мрад, полученная с использованием указанных выше соотношений.

В отличие от теневого метода, используемого в известных технических решениях и позволяющего изучать только величину и размещение локальных искажений поверхности контролируемого оптического элемента 1, предложенное техническое решение позволяет оценить также и его интегральные энергетические характеристики, т. е. качество контролируемого оптического элемента 1 путем измерения его суммарных угловых искажений поверхности по рассеянию в фокальном пятне.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является:
1. Расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения дополнительного контроля поверхности зеркала посредством оценки его интегральных энергетических характеристик.

2. Обеспечение возможности более полного контроля солнечных зеркал как в виде измерения распределения энергии в их фокальной плоскости, так и в виде оценки величины и размещения локальных искажений поверхности контролируемого зеркала с использованием теневого метода, что позволяет более полно оценить качество исследуемого зеркала с меньшими затратами.

3. С учетом большого количества однотипных зеркал в составных солнечных концентраторах (несколько сотен) предложен упрощенный теневой метод с использованием системы теневых диафрагм, позволяющий оценить лишь знак и диапазон величин наблюдаемых локальных искажений поверхности.

В настоящее время в ГП "НПО АСТРОФИЗИКА" в соответствии с предложенным выше техническим решением выпущена конструкторская документация на устройство для контроля поверхностей оптических элементов и изготовлена его оптическая блок-схема.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а также к гелио-, свето- и контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения и контроля формы отражающих поверхностей оптическими методами. Устройство содержит источник излучения, освещающий контролируемый объект, светоделитель, в ходе отраженного от него излучения теневые диафрагмы, расположенные одна в фокальной области зеркала, а вторая перед ней, а в ходе прошедшего через светоделитель излучения - полупрозрачный экран и оптическую систему для переноса увеличенного изображения фокального пятна. В каждом из каналов установлен блок регистраторов, а вторая диафрагма установлена с возможностью ее отвода с оптической оси. Изобретение позволило реализовать упрощенный теневой метод для качественного анализа локальных искажений формы контролируемого объекта, например зеркала. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для контроля поверхностей оптических элементов, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу лучей контролируемый оптический элемент и оптически сопряженный с ним светоделитель, последовательно установленные первую диафрагму и блок регистрации, вторую диафрагму, первый и второй объективы, отличающееся тем, что в него введены второй блок регистрации и полупрозрачный экран, диафрагмы выполнены теневыми и размещены аксиально симметрично вдоль первой оптической оси, формируемой ходом отраженной от светоделителя части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента, в фокальной области последнего между светоделителем и первым блоком регистрации, при этом вторая диафрагма размещена между первой диафрагмой и светоделителем и с возможностью ее отвода с первой оптической оси, первый и второй объективы выполнены в виде оптической системы для переноса увеличенного изображения фокального пятна, причем полупрозрачный экран, оптическая система и второй блок регистрации установлены последовательно на второй оптической оси, формируемой ходом прошедшей через светоделитель части лучей, отраженных от контролируемого оптического элемента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между первой диафрагмой и светоделителем введена еще по крайней мере одна дополнительная теневая диафрагма, при этом все диафрагмы размещены последовательно вдоль оптической оси. 3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что каждая теневая диафрагма выполнена в виде непрозрачного экрана круговой формы с диаметром, меньшим эффективного размера фокального пятна от контролируемого оптического элемента. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диаметр непрозрачного экрана выполнен с размером 0,9 от эффективного размера фокального пятна. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полупрозрачный экран выполнен с системой калибровочных отверстий для определения масштаба видеоизображения.