УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПЛОСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ ПОД УГЛОМ К ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ Российский патент 2016 года по МПК G01B9/02 

Область техники

Изобретение относится к области оптического приборостроения, точнее - к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей.

Уровень техники

На сегодняшний день технологическое производство изготовления оптических поверхностей позволяет получить оптические изделия различной конфигурации с требуемыми характеристиками профиля изделия, которые необходимо контролировать в процессе производства. В настоящее время большой интерес вызывают задачи, связанные с определением и контролем параметров качества оптических поверхностей. Это связано с появлением ряда современных технических систем, в состав которых входят крупногабаритные высокоточные оптические детали: сверхкрупный астрономический телескоп с главным зеркалом, требование к уровню погрешности поверхности которого составляет 0,1 нм [1], или сверхмощный лазер с активными средами диаметром до 1 м и погрешностью профиля поверхности, составляющей десятые доли нм [2]. Такие высокие требования к точности оптических поверхностей определяют качество функционирования технической системы в целом.

Изобретение представляет собой интерферометрическую измерительную систему на основе интерферометра Физо, позволяющую проводить измерения параметров качества, учитывающих суммарное искажение волнового фронта как за счет погрешностей поверхности детали, так и неоднородностей оптического материала детали в условиях производства.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого изобретения можно признать устройство для измерения волнового фронта с высоким качеством и в присутствии вибраций и помех в условиях производства (патентная заявка США 2012026507, МПК G01B 9/02, опубл. 2012.02.02). Прототип состоит из:

- передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка с взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива: эталонную оптическую пластину, контролируемую плоскую оптическую деталь и возвратное зеркало;

- приемного канала, включающего светоделитель и приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа.

Прототип устройства позволяет измерять оптические поверхности с погрешностью в десятые доли нм при наличии вибраций, характерных для оптического производства. Прототип устройства одновременно регистрирует три интерференционные картины с разностью фаз друг относительно друга π/2. Интерферограммы записываются тремя независимыми камерами (CCD-камерами). Для регистрации интерферограмм необходимо, чтобы опорный и объектные лучи были ортогонально поляризованы. Для этого в схему интерферометра Физо введено два источника излучения с перпендикулярными состояниями поляризации. Вибрационная независимость обеспечивается в прототипе за счет построения оптической схемы с дополнительными поляризационными компонентами (поляризационным светоделителем, четвертьволновой пластинкой и линейными поляризаторами, расположенными перед приемником излучения), при этом конечный результат регистрируется одновременно тремя независимыми ПЗС-матрицами, что дает возможность получить несколько интерференционных картин одновременно за одно измерение. Полученные интерференционные картины позволяют восстановить профиль измеряемой поверхности и определить погрешности профиля (в обычных интерферометрах за одно измерение возможно получение только одной интерференционной картины, следующую интерферограмму можно зарегистрировать только через некоторый промежуток времени, в течение которого присутствующие на производстве вибрации уже вносят изменения в результаты измерения).

Прототип имеет погрешность измерения, обусловленную наклоном возвратного зеркала. Это связано с тем, что лучи, отражаясь от возвратного зеркала, проходят в обратном ходе по другому оптическому пути через другие участки поверхности эталонной пластины и при этом смещаются на величину t_x. Если значение t_x превышает эквивалентный размер разрешения элемента матричного фотоприемника интерферометра, масштабированного на плоскость установки эталонной поверхности, то появляется так называемая погрешность наклона и топография измеряемой поверхности нарушается, что в значительной степени и, возможно, недопустимо увеличивает общую погрешность измерения. В прототипе, при перпендикулярном расположении эталонной детали по отношению к оптической оси, минимальное расстояние между поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом определяется толщиной контролируемой детали, и в этом случае смещение пучков вносит погрешность наклона, незначительно влияющую на общую погрешность измерения.

Однако для определенных задач возникает потребность контролировать плоские крупногабаритные исследуемые детали, находящиеся в рабочем положении под углом, не равным 90° (например, под углом Брюстера), к оптической оси, или контролировать одновременно нескольких расположенных друг за другом под единым углом к общей оптической оси плоских крупногабаритных исследуемых деталей, что может привести к неизбежности значительного увеличения расстояния между эталонной пластиной и возвратным зеркалом. В прототипе такое измерение нескольких исследуемых деталей или детали под углом к оптической оси также увеличивает это расстояние и может привести к значительному увеличению погрешности измерения.

Помимо этой ограничительной особенности прототипа для контроля исследуемой детали (с диаметрами апертур до 300 мм) в прототипе использованы линзовый объектив (коллиматор) и эталонная плоская пластина. Однако для контроля крупногабаритных оптических поверхностей с диаметром апертуры порядка 1000 мм и более применение линзового объектива обладает рядом существенных недостатков: изготовление объектива подобных габаритов очень сложно и является дорогостоящим; для контроля качества линзового объектива требуется разработка отдельной оснастки, так как необходимо контролировать качество не только поверхностей линзового объектива, но и самого его материала.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является минимизация погрешностей измерений для контроля параметров качества крупногабаритных плоских оптических деталей (одной или нескольких расположенных друг за другом под единым углом к общей оптической оси), что достигается за счет:

- возможности регулирования расстояния между плоской эталонной поверхностью и возвратным зеркалом с учетом параметров контролируемых плоских крупногабаритных оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси,

- а также замены совокупности линзового коллиматора и эталонной оптической пластины на совокупность сферического зеркала и эталонного оптического клина.

Технический эффект достигается в устройстве, состоящем из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка с взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину с эталонной поверхностью, контролируемую плоскую оптическую деталь и возвратное зеркало; и приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа; при этом источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси, и есть возможность регулирования расстояния L между эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом с учетом параметров контролируемых плоских крупногабаритных оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, а именно в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника.

Также для контроля крупногабаритных оптических поверхностей в качестве оптического коллиматора системы, расширяющего пучок до необходимого диаметра, использовано сферическое зеркало, а в качестве эталонной пластины - оптический клин, одна из граней которого, обращенная к зеркальному коллиматору, наклонна по отношению к оптической оси, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.

Перечень фигур

Фиг. 1 - схема расположения компонентов предлагаемого устройства.

Фиг. 2 - схемы в увеличенном масштабе ходов оптических лучей в местах А и Б схемы расположения компонентов устройства.

Осуществление изобретения

На фигурах использованы следующие обозначения:

1 - поляризационный источник излучения;

2 - объектив;

3 - пространственный фильтр;

4 - поляризационный светоделитель;

5 - светоделитель;

6 - четвертьволновая пластинка;

7 - зеркальный сферический коллиматор;

10 - интерферометрическая система;

11 - передающий канал;

12 - модуль источника излучения;

13 - интерференционный модуль;

14 - приемный канал;

15 - эталонный объект;

16 - контролируемый объект;

17 - возвратное зеркало;

18 - исходный волновой фронт;

19 и 20 - источники излучения, расположенные на расстоянии Δ друг от друга;

21 и 22 - два взаимно поляризованных волновых фронта, исходящих от источников излучения 19 и 20;

23 и 24 - два взаимно поляризованных волновых фронта, отраженных от возвратного зеркала;

α - угол расходимости излучения точечного источника;

D - диаметр апертуры оптического клина;

f′ - фокусное расстояние зеркального сферического коллиматора;

L - расстояние между эталонной поверхностью оптического клина и возвратным зеркалом.

Интерферометрическая система (10) предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, и на фиг. 2 - участки ходов лучей в увеличенном масштабе.

Конструкция включает в себя передающий (11) и приемный каналы (14). Передающий канал (11) состоит из интерферометрического модуля (13) и модуля источника излучения (12). Приемный канал включает фазосдвигающий модуль для генерации множественных интерферограмм с фазовым сдвигом π/2 между ними. Модуль источника излучения (12) обладает поляризационным источником излучения (1), генерирующим пучок линейно поляризованного излучения (18), который проходит через объектив (2), фокусирующий излучение в плоскость пространственного фильтра (3) с микроотверстием. Волновой фронт (18) проходит через поляризационный светоделитель (4), который разделяет излучение на два взаимно поляризованных волновых фронта (21) и (22). Данные пучки лучей после светоделителя (4) смещаются по отношению друг к другу, как если бы они исходили от двух разных источников излучения (19) и (20) на расстоянии Δ друг от друга. Выходя из интерферометрического модуля системы, пучки проходят светоделитель (5), четвертьволновую пластинку (6), отражается от первой поверхности исследуемой детали (16), затем от зеркального коллиматора (7) с фокусным расстоянием f′ и проходят через эталонный объект (15) диаметром апертуры D. После чего часть излучения отражается от эталонного объекта ((21) и (22)), а часть проходит через эталонный объект, исследуемый объект (16) и отражается от возвратного зеркала (17) (пучки (23) и (24)), расположенного на расстоянии L от поверхности эталона. Два пучка (21) и (22) с информацией об ошибках волнового фронта эталонного объекта отражаются от зеркального коллиматора (7), затем от первой поверхности исследуемой детали (16), проходят через четвертьволновую пластинку (6) и отражаются от светоделителя (5), и попадают в модуль приемника излучения. Содержащие информацию о волновом фронте исследуемого объекта пучки (23) и (24) отражаются от зеркального коллиматора (7), затем от первой поверхности исследуемой детали (16), проходят через четвертьволновую пластинку (6) и отражаются от светоделителя (5), и также попадают в модуль приемника излучения (14).

Используемый в устройстве источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси. Для получения интерференционной картины на детекторе излучение должно сходиться на оптической оси, поэтому в системе предусмотрен поворот возвратного зеркала, позволяющий свести пучки. В обратном ходе после отражения от поверхности возвратного зеркала каждый луч рабочего пучка излучения проходит через эталонную поверхность со смещением на величину t_x относительно прямого хода лучей. Для наилучшего качества восстанавливаемой топографии поверхности контролируемой оптической детали необходимо, чтобы линейное смещение t_x в плоскости эталонной поверхности не превышало эквивалентного размера разрешения элемента матричного фотоприемника интерферометра, масштабированного на плоскость установки эталонной поверхности. При этом максимально допустимое смещение пучка: , где D - диаметр клина, a n - количество пикселов матрицы фотоприемника в плоскости анализа (матрица состоит из n×n - элементов).

Максимально допустимое расстояние L, при котором условие допустимого смещения t_x выполняется, равно: , где α - угол расходимости излучения точечного источника. Угол расходимости излучения α определяется через фокусное расстояние f′ зеркального сферического коллиматора и смещения источника излучения Δ относительно оптической оси: , где Δ - расстояние между источниками излучения; f′ - фокусное расстояние сферического зеркала. Таким образом, допустимое значение величины расстояния между эталонной поверхностью и возвратным зеркалом должно быть не более: . При выполнении этого условия смещение пучка t_x не будет превышать пространственного разрешения прибора и погрешность наклона не будет сказываться на качестве анализа неоднородностей оптических поверхностей.

В том случае, если это условие не выполняется, например при большом количестве расположенных друг за другом под единым углом наклона контролируемых плоских оптических деталей, измерения необходимо разбить на ряд измерений с меньшим количеством исследуемых деталей в отдельных группах и после этого проводить суммарную оценку качества групп деталей.

Для контроля плоских крупногабаритных деталей в предлагаемом устройстве вместо линзового коллиматора использован зеркальный коллиматор, выполненный в виде сферического зеркала. Изготовление сферического зеркала является менее дорогостоящим и более простым в технологическом процессе изготовления и контроля. И для реализации схемы контроля крупногабаритных оптических деталей с зеркальным коллиматором эталонная пластина в изобретении выполнена в виде оптического клина.

Одна из граней клина, обращенная к зеркальному коллиматору, расположена под углом к оптической оси системы, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.

Наклонная поверхность оптического клина позволяет ввести в оптическую схему изобретения зеркальный коллиматор, который формирует коллимационный пучок с диаметром порядка 1000 мм и более.

Пример реализации данного изобретения

Два источника излучения, разнесенных на расстояние Δ=3,2 мм, расстояние между источниками и зеркальным коллиматором составляет 8300 мм, световой диаметр коллиматора D=1000 мм, фокусное расстояние коллиматора f′=15000 мм, апертура коллиматора D/f′=1/15, угол оптического клина составляет 2,64°, радиус сферического зеркала 3×10⁴ мм, угол поворота возвратного зеркала α=4.6×10^-6°.

Угол поворота возвратного зеркала и угол поворота контролируемой оптической детали не связаны, угол поворота контролируемой детали может быть равным углу Брюстера или же быть единицами или десятками градусов.

С учетом всех указанных параметров максимально допустимая величина расстояния между эталонной поверхностью и возвратным зеркалом составляет Z=2000 мм.

Источники информации

1. http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt.html

2. https://lasers.llnl.gov/about/nif/about.php

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоит из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа. Источник излучения включает два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси. Устройство изготовлено с возможностью регулирования расстояния L между плоской эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника. Технический результат - минимизация погрешностей измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоящее из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа, отличающееся тем, что источник излучения включает в себя два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси, и устройство изготовлено с возможностью регулирования расстояния L между плоской эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для контроля крупногабаритных оптических поверхностей в качестве объектива системы, расширяющего пучок до необходимого диаметра, использовано сферическое зеркало, а в качестве эталонной пластины - оптический клин, одна из граней которого, обращенная к зеркальному коллиматору, наклонна по отношению к оптической оси, а вторая грань, обращенная к контролируемой оптической детали, является перпендикулярной к оптической оси и выполняет функцию эталонной поверхности.