СПОСОБ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B9/02 G01B11/24 

Изобретения относятся к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной, и могут быть использованы, например, при контроле формы оптических деталей.

Известен интерферометрический способ измерения отклонения форм поверхностей, реализованный в интерферометре [1]. Способ основан на определении координат центров интерференционных полос на интерферограммах амплитудным методом, то есть по минимуму освещенности, дальнейшем расчете формы волнового фронта, отраженного контролируемой поверхностью и, соответственно, отклонения формы этой поверхности.

Известно устройство [1], предназначенное для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной. Устройство [1] содержит источник когерентного излучения (газовый лазер), конденсор с малой диафрагмой, отрезающей паразитные лучи, объектив, создающий параллельный пучок лучей, собственно интерферометр, в качестве которого в устройстве применен плоский интерферометр Физо, систему проецирования интерферограммы на телекамеру и систему предварительной настройки интерферометра.

Известен также амплитудный метод измерения отклонений формы поверхностей, описанный в литературе [2].

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

Оба известных способа [1] и [2], а также устройства для их реализации являются амплитудными и обладают недостатками, присущими амплитудному методу измерения. Эти недостатки заключаются в том, что все дефекты интерференционной картины, возникающие из-за дефектов осветителя и оптической системы интерферометра, воспринимаются системой регистрации интерферограммы как деформации интерферограммы, вызванные отклонением формы поверхности контролируемой детали от номинальной.

Кроме того, использование амплитудных методов определения деформации волнового фронта по координатам точек интерференционных полос приводит к значительным погрешностям и не обеспечивает достаточной точности расчета формы контролируемой поверхности.

Кроме амплитудных, известны фазовые методы измерения отклонения формы оптических поверхностей и устройства их реализующие, основанные на осуществлении фазовой модуляции интерференционной картины. Так в патенте [3] фазовый сдвиг интерференционной картины осуществляется методом изменения длины волны излучения источника, что реализовано в известном способе путем изменения оптической длины резонатора лазера.

В одном из вариантов устройства [3], осуществляющем данный способ и описанном в литературе [3], в качестве источника излучения используется газовый лазер. Изменение оптической длины резонатора лазера достигается либо перемещением одного зеркала, в устройствах с внешним зеркалом, либо вытягиванием трубки, в устройствах с внутренним зеркалом. В другом варианте известного устройства [3], использующего в качестве источника излучения полупроводниковый лазер, изменение длины волны достигается путем изменения тока возбуждения, который в свою очередь изменяет температуру лазера и, следовательно, его оптическую длину.

Таким образом, в известном способе [3] осуществления фазовой модуляции, а также во всех предложенных вариантах устройств необходимо применение специальных лазеров, что является несомненным недостатком, ограничивающим возможности широкого применения способа и реализующих его устройств для контроля оптических изделий при их массовом производстве.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому способу является фазовый метод измерения отклонений формы полированных поверхностей, описанный в источнике [4].

Принципиальная схема прототипа [4] представлена на фиг.8.

Способ-прототип 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, светоделительный блок, первый и второй светоделительные элементы, объектив и интерферометр. Интерферометр состоит из контролируемой и эталонной поверхностей. 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.

Однако известные способ и устройство [4] имеют недостаток, свойственный фазовым методам и реализующим их устройствам, а именно: интенсивность интерферограммы в каждой точке поля меняется не только из-за смещения эталонной поверхности, но и из-за неизбежных деформаций волнового фронта, вызванных вибрацией как эталонной, так и контролируемой поверхностей, флуктуацией воздуха между эталонной и контролируемой поверхностями и другими факторами. В результате фазы интерферограммы определяются с существенными ошибками.

Кроме того, известное устройство [4] может быть использовано только для контроля деталей диаметром до 100 мм, так как обеспечить высокочастотное колебательное перемещение деталей, имеющих большие габариты, практически невозможно.

При применении известного способа и устройства для контроля сферических поверхностей вносится дополнительная погрешность, обусловленная смещением центра кривизны эталонной поверхности относительно центра кривизны поверяемой поверхности, что также сказывается на точности измерения.

Задачей предлагаемых изобретений является повышение точности и надежности измерения отклонения формы оптических поверхностей на фазовом интерферометре за счет исключения влияния вибраций на результаты измерения деформаций волнового фронта на фазовом интерферометре, а также расширение области применения способа и устройства.

Для достижения этого технического результата предлагается способ интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей и система для его осуществления.

Способ интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей основан на том, что на контролируемую поверхность направляют когерентный пучок лучей, сфокусированный вблизи центра кривизны контролируемой поверхности, помещают в ход лучей образцовую поверхность с центром кривизны, расположенным вблизи центра кривизны контролируемой поверхности, формируют и регистрируют интерферограмму разности хода лучей, отраженных от контролируемой и от образцовой поверхности, и обрабатывают ее для получения значений этой разности хода.

Способ отличается от известного тем, что на контролируемую и на образцовую поверхность направляют второй когерентный пучок лучей и формируют вторую интерферограмму разности хода лучей, отраженных от контролируемой и от образцовой поверхности, вводят в разность хода лучей второй интерферограммы дополнительную разность хода лучей по сравнению с разностью хода первой интерферограммы, равную четверти длины волны излучения, и в заданных точках контролируемой поверхности определяют разность хода первой интерферограммы по сигналу освещенности в той из двух интерферограмм, для которой справедливо условие:

,

где I - зарегистрированный сигнал освещенности в заданной точке интерферограммы при измеряемой разности хода лучей;

I₀ - известная заранее постоянная составляющая освещенности в заданной точке интерферограммы при изменениях разности хода лучей;

ΔI - известная заранее амиплитуда изменения сигнала в заданной точке интерферограммы при изменениях разности хода лучей

Предложенный способ может быть реализован в заявляемой системе интерферометрического измерения формы оптических поверхностей.

Система для интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей содержит источник когерентного излучения, излучающий два плоскополяризованных луча, светоделительный блок, разделяющий луч источника на два луча, плоскости поляризации в которых взаимно перпендикулярны, две пары прозрачных дифракционных решеток, направляющих излучение в соответствующие порядки, т.е. под определенными углами, соединительный блок, направляющий излучения с различным направлением поляризации по одному направлению, два фильтра-конденсора, расположенных в фокальной плоскости объектива и состоящих из конденсорной линзы, в фокальной плоскости которой установлена диафрагма малого диаметра, светоделительного блока, разделяющего излучение с разным направлением плоскости поляризации. Кроме того, система содержит первый и второй светоделительные элементы, интерферометр, состоящий из эталонной и контролируемой поверхностей, проекционную систему для проецирования интерферограммы на ПЗС-матрицу и связанную с ней систему обработки интерференционной картины и систему проецирования автоколлимационных изображений.

Особенностью предлагаемой системы является то, что образовано 4 источника излучения интерферометра из которых два - действительные диафрагмы конденсора и два их мнимых изображения. Эти 4 источника при отражении излучения от эталонной и контролируемой поверхностей образуют две интерфереционные картины, которые проецируются на одну ПЗС-матрицу. При этом юстировка интерферометра выполняется таким образом, чтобы вторая интерференционная картина была сдвинута по фазе на π/2 относительно первой, а первая или вторая дифракционные решетки могут совершать колебательные движения, перпендикулярные штрихам решеток для изменения фаз интерферирующих лучей. При этом первая и вторая интерференционная картины смещаются на 1 полосу при изменении разности фаз на 2π.

Предложенная система для интерферометрического измерения формы оптических поверхностей, реализующая заявленный способ, дает возможность применить его для высокоточного контроля плоских и сферических деталей любых размеров, и в условиях наличия вибрации контролируемой детали и самого устройства, что стало возможным благодаря следующему.

В предложенной системе интенсивности, по которой рассчитываются фазы, интерферограммы регистрируются единовременно во всех точках картины; в предложенной системе с помощью светоделительных устройств формируются четыре измерительных канала, в отличие от одного в прототипе. Благодаря дополнительным каналам стало возможным получение двух интерферограмм, сдвинутых по фазе относительно друг друга на π/2. Кроме того, устройство изменения оптической длины хода луча, рассположенное в прототипе непосредственно в интерферометре, установлено в предложенном устройстве в осветительной системе и выполнено в виде двух дифракционных решеток, одна из которых может перемещаться перпендикулярно штрихам решетки. Такое расположение устройства изменения оптической длины хода луча, а также его выполнение позволяет измерять крупногабаритные детали с высокой точностью. Введение в систему второй проекционной системы, разделительной и соединительной призмы обеспечивает проецирование двух интерферограмм на регистрационный блок. Блоки разделения луча лазера на два, имеющих разное направление плоскостей поляризации, и затем их сведение в каждый из двух конденсаторов-фильтров позволят получить две идентичные интерференционные картины, сдвинутые по фазе на π/2. Наклон эталонной и контролируемой поверхностей относительно нормали к оси прибора определяются по формуле

α=s/4f′_об,

где s - расстояние между диафрагмами первого и второго фильтров-конденсоров;

f′_об - фокусное растояние объектива, обеспечивает образование интерференционных картин.

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

Получение двух интерферограмм, сдвинутых относительно друг друга на π/2 и одновременное снятие информации с этих интерферограмм позволяет получить правильные результаты даже при смещениях интерферограмм, вызванных случайными факторами, например вибрацией. Смещение интерференционной картины за счет изменения длины хода лучей позволяет применить этот способ в интерферометрах для контроля плоскости деталей любых размеров, обеспечиваемых размерами деталей интерферометра, так как узел, создающий набег фазы, расположен в осветительной части интерферометра и не зависит от размеров контролируемой детали.

Способ и реализующая его система пригодны также и для контроля сферических деталей, так как не нарушается центровка деталей в процессе сканирования.

Предлагаемый способ и система для измерения отклонения формы оптических поверхностей иллюстрируются чертежами.

На фиг.6 и фиг.7 изображена схема хода лучей, образующих интерференционные картины, поясняющая заявляемый способ.

На фиг.6 и фиг.7 обозначено:

А - эталонная поверхность;

Б - контролируемая поверхность;

α - угол наклона эталонной и контролируемой поверхности;

O - плоскость, проходящая через главную точку объектива;

D и Е - диафрагмы фильтров-конденсоров;

D₁ и Е₁ - мнимые изображения диафрагм фильтров-конденсоров;

О₁ - центр интерференционной картины, полученной в результате интерференции лучей I и II;

О₂ - соответственно лучи III и IV.

На фиг.2, 3, 4 представлена принципиальная схема одного из конкретных примеров выполнения системы для интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей в соответствии с предлагаемым изобретением.

Система содержит источник 1 когерентного излучения, например лазерный излучатель ЛГН-303, установленное за ним зеркало 2 и светоделительный блок, содержащий светоделительный элемент 3, разделяющий излучение лазера на два луча с взаимноперпендикулярными плоскостями поляризации, каждый из лучей проходит прозрачную дифракционную решетку 4, разлагающую луч таким образом, чтобы максимум энергии направить в ±I порядка. Далее лучи проходят через вторую прозрачную дифракционную решетку 5 и становятся параллельными друг другу. За дифракционными решетками установлен светосоединительный элемент блока 6, который лучи с взаимно перпендикулярными направлениями плоскости поляризации направляет в один из двух фильтров-конденсоров 7 и 8, состоящих из конденсорной линзы, в фокальной плоскости которой установлена диафрагма 9 и 10. За фильтром-конденсором установлен второй светоделительный блок 11 (фиг.4 и фиг.5), состоящий из двух светоделительных пластинок 12 и 13, отражающих лучи одного направления поляризации и пропускающие лучи с перпендикулярным направлением поляризации. Зеркала 14 изменяют направление излучения. Пластинки 15, установленные между светоделительной пластиной 12 и зеркалами 14, смещают мнимое изображение диафрагмы конденсора так, чтобы расстояние между центром диафрагмы конденсора и его мнимое изображение было ≈1,6 мм (размер диаметра линзы конденсора). После светоделительного блока установлены пластинка λ/4, преобразующая плоскополяризованный свет в свет с круговой поляризацией, первый 17 и второй 18 светоделительные элементы, объектив 19 и плоский интерферометр 20, выполненный по схеме Физо и состоящий из эталонной 21 и контролируемой 22 поверхностей.

При измерении отклонения формы сферических поверхностей используется насадка, преобразующая плоский волновой фронт в сферический, сходящийся в центре кривизны последней поверхности насадки, которая является эталонной. При совмещении центров кривизны эталонной и контролируемой поверхностей образуется интерферометр Физо, эквивалентный плоскому интерферометру. Контролируемая 22 и эталонная 21 поверхности наклонены к нормали оптической оси интерферометра на угол

α=s/4f′_об,

где s - расстояние между диафрагмами фильтров-конденсоров;

f′_об - фокусное расстояние объективов.

Система содержит разделительную призму 23, установленную за первым светоделительным элементом 17 в обратном ходе лучей, первую проекционную систему 24, проецирующую вместе с объективом первую интерференционную картину в промежуточную плоскость изображения. Вторая проекционная система 25 проецирует вторую интерференционную картину тоже в промежуточную плоскость, в которой расположена соединительная призма 26, за которой расположена третья проекционная система 27, проецирующая промежуточное изображение интерференционных картин на ПЗС-матрицу телекамеры 28 блока регистрации, связанного с системой обработки интерференционной картины. Третья проекционная система состоит из двух объективов 29 и 30, причем, объектив 29 имеет переменное фокусное расстояние для сохранения постоянного размера изображения интерференционной картины на ПЗС-матрице при изменении размеров конролируемой детали.

Для сохранения постоянного расстояния между интерференционными картинами на ПЗС-матрице призма 26 вместе с объективом 30 перемещаются вдоль оси пропорционально изменению фокусного расстояния. Для предварительной настройки интерферометра имеется система проецирования автоколлимационных изображений 31.

Система (фиг.1, 2, 3, 4) работает следующим образом.

Излучение лазера светоделительным блоком делится на две составляющие с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Каждый из лучей проходит через две прозрачные дифракционные решетки и дифрагирует на них. Используя ±I порядки дифракции получим на выходе из решетки два луча, параллельных между собой. При перемещении одной из решеток в направлении, перпендикулярном направлению штрихов, фаза одного луча изменяется относительно другого на величину 2π при перемещении решетки на величину

l=d/2,

где d - шаг решетки.

Далее лучи проходят светоделительный блок и попадают на линзы фильтра-конденсора. Через каждый конденсор проходят лучи имеющие взаимно перпендикулярные плоскости поляризации. Из диафрагм соответствующих фильтров-конденсоров выходят 4 сферических волновых фронта, которые после объектива 19 становятся плоскими.

При попадании на пластину 12 светоделительного блока луч с одной плоскостью поляризации отражается от нее, а с перпендикулярной проходит. Зеркала изменяют направление лучей и они попадают на светоделительную пластину, которая также отражает лучи, отраженные пластиной 12 и пропускает лучи, прошедшие через пластину 12.

Плоскопараллельные пластинки 15 смещают мнимые изображения диафрагм 9 и 10 относительно их самих на 1,6 мм (диаметр линзы конденсора).

Все четыре луча I, II, III и IV проходят через пластинку λ/4, превращающую плоскополяризованный свет в свет с круговой поляризацией.

Лучи проходят полупрозрачные элементы 17 и 18 и выходят из объектива 14 в виде плоской световой волны. Эталонная поверхность 21, установленная под углом α относительно нормали к оптической оси, отражает падающие на нее лучи и в фокальной плоскости объектива 19 образуется изображение диафрагмы 9, которое можно наблюдать с помощью системы 31 проецирования автоколлимационных изображений. Наклонами контролируемой поверхности 11 совмещается изображение диафрагмы 9 с изображением диафрагмы 10, отраженным от контролируемой поверхности 22. При этом автоколлимационные изображения мнимых диафрагм 8 и 10 также будут совмещены. Угол между эталонной 21 и контролируемой 22 поверхностями обеспечивает параллельность отраженных от них лучей и получение интерференционных картин, которые объективом 19 через светоделительные элементы 17 и 18, разделительную 23 и соединительную 26 призмы, проекционные системы 24 или 25 и проекционную систему 27, проектируются на ПЗС-матрицу 28. Так как оптическая длина хода лучей I и II при смещении дифракционных решеток 4 изменяется, интерференционная картина будет смещаться на одну полосу при изменении длины хода на одну длину волны. При смещении интерференционной картины измеряется максимальное и минимальное значение освещенности на каждом пикселе ПЗС-матрицы, которые используются при дальнейших расчетах фазы волнового фронта. Перемещая одну из дифракционных решеток 5 при юстировке интерферометра, добиваемся, чтобы вторая интерференционная картина была сдвинута относительно первой на π/2. После смещения интерференционных картин на одну полосу путем смещения решетки 5 перемещение решетки 5 прекращается и измеряются интенсивности на каждом пикселе ПЗС-матрицы для обоих интерферограмм, по которым рассчитываются фазы волнового фронта. Зная фазы волнового фронта, отраженного от контролируемой поверхности, можно вычислить все параметры этой поверхности, а именно радиус, среднеквадратическое отклонение от сферы в каждой точке.

Литература

1. Интерферометр ИКД-110. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Часть I. Ю - 30.60.025 ТО 1991 г.

2. Патент США № 4201473, кл. G 01 В 9/02, оп.6.05.80.

3. Европейский патент № 0144510, кл. G 01 B 9/02, оп. 19.06.85.

4. Интерферометр. Модель Mark III, техническое описание - прототип.

Способ основан на направлении на контролируемую поверхность когерентного пучка лучей, помещении в ход лучей образцовой поверхности, формировании и регистрации интерферограммы разности хода лучей и ее дальнейшей обработки. При этом на контролируемую и на образцовую поверхности направляют второй когерентный пучок лучей и формируют вторую интерферограмму разности хода лучей, вводят в разность хода лучей второй интерферограммы дополнительную разность хода лучей по сравнению с разностью хода лучей первой интерферограммы, равную четверти длины волны излучения, и в заданных точках контролируемой поверхности определяют разность хода первой интерферограммы по сигналу освещенности в одной из двух интерферограмм. Система содержит источник когерентного излучения, первый фильтр-конденсор, первый и второй светоделительные элементы, интерферометр, состоящий из контролируемой и эталонной поверхностей, а также устройство для изменения оптической длины хода луча, первую проекционную систему, регистрирующий блок и устройство наблюдения, систему обработки интерференционной картины. В систему введены два светоделительных блока, между которыми расположены две пары прозрачных дифракционных решеток. За фильтрами-конденсорами установлен второй светоделительный блок, за светоделительным блоком установлена пластинка λ/4. Технический результат - повышение точности и надежности измерения отклонения формы оптических поверхностей, а также расширение области применения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ интерферометрического измерения отклонения формы оптических поверхностей, заключающийся в том, что на контролируемую поверхность направляют когерентный пучок лучей, сфокусированный вблизи центра кривизны контролируемой поверхности, помещают в ход лучей образцовую поверхность с центром кривизны, расположенным вблизи центра кривизны контролируемой поверхности, формируют и регистрируют интерферограмму разности хода лучей, отраженных от контролируемой и от образцовой поверхностей, и обрабатывают ее для получения значений этой разности хода, отличающийся тем, что на контролируемую и на образцовую поверхности направляют второй когерентный пучок лучей и формируют вторую интерферограмму разности хода лучей, отраженных от контролируемой и от образцовой поверхностей, вводят в разность хода лучей второй интерферограммы дополнительную разность хода лучей по сравнению с разностью хода лучей первой интерферограммы, равную четверти длины волны излучения, и в заданных точках контролируемой поверхности определяют разность хода первой интерферограммы по сигналу освещенности в той из двух интерферограмм, для которой справедливо условие

|I-I₀|≤ΔI/√2,

где I - зарегистрированный сигнал освещенности в заданной точке интерферограммы при измеряемой разности хода лучей;

I₀ - известная заранее постоянная составляющая освещенности в заданной точке интерферограммы при изменениях разности хода лучей;

ΔI - известная заранее амплитуда изменения сигнала в заданной точке интерферограммы при изменении сигнала в заданной точке интерферограммы при изменениях разности хода лучей.