Устройство для измерения радиуса оптической сферической поверхности Российский патент 2025 года по МПК G01B9/02 G01B11/255 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения радиуса оптических сферических поверхностей, а также при контроле оптических деталей как в процессе их изготовления, так и после него.

Известно устройство по патенту РФ на полезную модель №87793, (опубл. 20.10.2009, бюл. №29) для измерения радиуса сферических полированных поверхностей, содержащее расположенные вдоль оси контроля автоколлимационное устройство, интерферометрическую насадку с выпуклой или вогнутой эталонной сферической поверхностью и устройство для установки контролируемой детали, положительная линза для создания параллельного сходящегося или расходящегося пучка лучей автоколлимационного устройства подвижно установлена вдоль оптической оси, интерферометрическая насадка выполнена в виде пробного стекла, а устройство для установки контролируемой детали выполнено в виде неподвижных упоров, жестко закрепленных на пробном стекле таким образом, что при опоре на них центры сферических поверхностей пробного стекла и измеряемой детали совпадают, а расстояние между измеряемой поверхностью детали и эталонной поверхностью пробного стекла не превышает 5 мм.

Данное устройство предназначено для измерения радиуса кривизны поверхности изготавливаемой детали на рабочем месте, предусматривает возможность измерения деталей, обрабатываемых блоком.

Основными недостатками данного устройства являются:

- невозможность измерения радиусов со значениями, сильно отступающими от радиуса эталонной поверхности;

- механический контакт между контролируемой и эталонной поверхностью, что может привести как к повреждению контролируемой поверхности так и к ее деформации в процессе контроля.

Известно устройство по патенту РФ на полезную модель №210617 (опубл. 22.04.2022 г., бюл. №12) для измерения плоскостности полированных плоскопараллельных пластин, которое содержит интерферометр Физо, состоящий из светоделительного элемента, коллиматора, объектива построения изображения интерферограмм, ПЗС или КМОП камеры и плоского эталонного объектива (Фиг. 1).

В устройстве применяется некогерентный осветитель, состоящий из некогерентного источника света, светоделительного элемента, двух зеркал, расположенных на разных расстояниях от светоделительного элемента D1 и D2.

Пучок света от источника делится на два пучка равной интенсивности светоделительным элементом. Оба пучка отражаются от зеркал, возвращаются обратно на светоделительный элемент и отражаются в сторону интерферометра, но при этом между этими пучками возникает разность хода 2D=2*(D2-D1), где D равно разности расстояний от зеркал до светоделительного элемента.

Таким образом, в интерферометр Физо попадает пучок света, состоящий из двух пучков с разностью хода 2D (или с соответствующим сдвигом фаз).

Теперь, если между эталонной и контролируемой поверхностью установить расстояние равное D, и использовать описываемый источник света, то при отражении от этих поверхностей возникают два пучка имеющих нулевую разность хода и они будут интерферировать между собой, и именно, при таком расстоянии между эталонной и контролируемой поверхностью возникает наиболее контрастная интерференционная картина.

Несмотря на то, что данное устройство в таком варианте не предназначено для измерения расстояния между контролируемой и эталонной поверхностями и расчета значения радиуса контролируемой поверхности, учитывая то, что существует строгая зависимость между взаимным расположением зеркал устройства и максимальной контрастностью интерференционной картины, оно после некоторых изменений может быть использовано для этой цели.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является известный интерферометр Физо, с помощью которого измеряют радиус оптической сферической поверхности (https://www.laserfocusworld.com/test-measurement/test-measurement/article/16550235/interferometry-achieving-precision-radius-metrology-for-large-optics.)

Интерферометр Физо (Фиг. 2, 3) состоит из когерентного источника света, светоделительного элемента, коллиматора, линейного энкодера, объектива построения изображения интерферограмм, ПЗС камеры и эталонного объектива. В зависимости от компоновки интерферометра энкодер может быть совмещен с механизмом перемещения эталонного объектива и коллиматора, обычно для вертикальной компоновки, либо с механизмом перемещения контролируемой поверхности, обычно для горизонтальной компоновки.

Для измерения радиуса оптической сферической поверхности детали, ее устанавливают сначала таким образом, чтобы центр кривизны «С» контролируемой поверхности детали совпал с центром кривизны эталонной поверхности объектива - конфокальная позиция.

При помощи котировочных перемещений добиваются такого совмещения центра кривизны, при котором наблюдаются несколько черных и белых прямых полос, о чем свидетельствует близость общей ошибки (power, defocus) к нулю, полученной из расчета тем или иным программным обеспечением (Фиг. 4).

С линейного энкодера, являющегося частью интерферометра Физо снимается отсчет.

Контролируемая поверхность перемещается относительно эталонной поверхности в положение «кошачий глаз». В этом положении центр кривизны эталонной поверхности совпадает с контролируемой поверхностью (Фиг. 3).

При помощи котировочных перемещений добиваются такого совмещения центров кривизны, при котором наблюдаются несколько черных и белых наиболее прямых полос, о чем свидетельствует близость общей ошибки к нулю, полученной из расчета тем или иным программным обеспечением (Фиг. 5).

С линейного энкодера, являющегося частью интерферометра Физо снимается отсчет.

Видно, что разница R между отсчетами снятыми в конфокальной позиции и позиции «кошачьего глаза» равна радиусу контролируемой поверхности.

Одним из недостатков известного устройства является невозможность измерения радиусов, больших величины перемещения/длины линейного энкодера интерферометра Физо, так как для измерения больших радиусов требуется длинный энкодер и соответствующее рабочее место.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, создание возможности измерения радиусов поверхности обрабатываемой детали, бóльших максимальной величины перемещения эталонного объектива или контролируемой поверхности и длины энкодера интерферометра Физо, на ограниченном рабочем месте, возможности измерения деталей, обрабатываемых блоком, сокращение длительности процесса измерения, упрощение конструкции прибора и уменьшение его габаритов.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения радиуса оптической сферической поверхности, которое, как и прототип, содержит интерферометр Физо, состоящий из последовательно установленных на одной оптической оси когерентного источника света, светоделительного элемента, коллиматора, эталонного объектива, а также объектива построения изображения интерферограмм и ПЗС камеры.

В отличие от прототипа в устройство введены дополнительный светоделительный элемент, установленный между когерентным источником света и светоделительным элементом интерферометра Физо и некогерентный осветитель с регулируемым сдвигом фаз (РСФ), включающим некогерентный источник света, светоделительный элемент некогерентного осветителя с РСФ, подвижное и неподвижное зеркала, линейный энкодер подвижного зеркала некогерентного осветителя с РСФ, фокусирующую линзу, при этом некогерентный осветитель с РСФ связан с дополнительным светоделительным элементом таким образом, что расходящийся пучок света от него падает на дополнительный светоделительный элемент, при этом радиус контролируемой поверхности R_д равен разности между радиусом эталонной поверхности R_э и расстоянием L между эталонной и контролируемой поверхностями, измеряемыми при помощи некогерентного осветителя с РСФ.

L=L1-L2

R_д=R_э-L, где

L - расстояние между эталонной и контролируемой поверхностями;

L1 - расстояние между неподвижным зеркалом и светоделительным элементом некогерентного осветителя с РСФ;

L2 - расстояние между подвижным зеркалом и светоделительным элементом некогерентного осветителя с РСФ в положении максимальной контрастности интерференционной картины;

R_д - радиус контролируемой поверхности;

R_э - радиус эталонной поверхности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря конструктивному решению устройства появилась возможность измерения радиуса контролируемой поверхности путем измерения расстояния между контролируемой и эталонной поверхностями в конфокальной позиции с помощью некогерентного осветителя с РСФ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 6 - представлена общая схема устройства для измерения радиуса оптической сферической поверхности.

Устройство для измерения радиуса оптической сферической поверхности, содержит интерферометр Физо 1, состоящий из последовательно соединенных когерентного источника света 2, светоделительного элемента 3, коллиматора 4, а так же объектива построения изображения интерферограмм 5, ПЗС камеры 6 и эталонного объектива 7 с эталонной поверхностью 8, в устройство введены дополнительный светоделительный элемент 9, установленный между когерентным источником света 2 исветоделительным элементом 3 и некогерентный осветитель с РСФ 10, включающий некогерентный источник света 11, светоделительный элемент 12 некогерентного осветителя с РСФ, неподвижное зеркало 13, подвижное зеркало 14, линейный энкодер 15 подвижного зеркала, фокусирующую линзу 16.

Работа устройства для измерения радиуса оптической сферической поверхности осуществляется следующим образом.

Измеряемая деталь с контролируемой поверхностью 17 устанавливается таким образом, чтобы ее центр кривизны «С» совпал с центром кривизны эталонной поверхности 8 эталонного объектива 7 (конфокальная позиция). При этом включен когерентный источник света 2, а некогерентный источник света 11 выключен. При помощи котировочных перемещений добиваются такого совмещения центров кривизны, при котором наблюдаются несколько черных и белых наиболее прямых полос. Затем когерентный источник света 2 отключается и включается некогерентный источник света 11 некогерентного осветителя с РСФ 10.

Расходящийся пучок света от некогерентного осветителя с РСФ 10, через дополнительный светоделительный элемент 9 падает на эталонный объектив 7 интерферометра Физо 1 со стороны коллиматора 4, и, пройдя через эталонный объектив 7, последовательно отражается от эталонной поверхности 8 и от контролируемой поверхности 17 измеряемой детали. Перемещением подвижного зеркала 14 некогерентного осветителя с РСФ 10 добиваются наиболее контрастной картины интерферограммы.

При этом расстояние L между этими поверхностями измеряется при помощи некогерентного осветителя с РСФ 10 как разность расстояний между зеркалами 13 и 14 некогерентного осветителя L=L1-L2. Радиус R_э эталонной поверхности 8 должен быть известен с высокой точностью. Тогда, возможно, определить радиус R_д контролируемой поверхности 17 измеряемой детали, как разность между радиусом R_э эталонной поверхности 8 и расстоянием L между эталонной 8 и контролируемой 17 поверхностями. В этом случае для измерения требуется линейный энкодер 15, некогерентного осветителя с РСФ 10 с диапазоном, соответствующим расстоянию L, между эталонной 8 и контролируемой 17 поверхностями. При этом предел измерения радиуса определяется наличием определенного набора эталонных объективов с различными радиусами.

Таким образом, предлагаемое техническое решение расширяет функциональные возможности устройства для измерения радиуса оптической сферической поверхности, заключающиеся в возможности измерения радиусов обрабатываемой детали бóльших величины перемещения и длины энкодера интерферометра Физо на ограниченном рабочем месте, возможности измерения деталей, обрабатываемых блоком, упрощения конструкции прибора, уменьшения его габаритов и сокращении длительности процесса измерения.

Использование: в измерительной технике, для измерения радиуса оптических сферических поверхностей, а также при контроле оптических деталей как в процессе их изготовления, так и после него. В устройство введен дополнительный светоделительный элемент, установленный между когерентным источником света и светоделительным элементом интерферометра Физо, кроме того, устройство дополнено некогерентным осветителем с регулируемым сдвигом фаз, включающим некогерентный источник света, светоделительный элемент некогерентного осветителя с регулируемым сдвигом фаз, подвижное и неподвижное зеркала, линейный энкодер подвижного зеркала некогерентного осветителя с регулируемым сдвигом фаз, фокусирующую линзу, при этом некогерентный осветитель с регулируемым сдвигом фаз связан с дополнительным светоделительным элементом таким образом, что расходящийся пучок света от него падает на дополнительный светоделительный элемент. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства, а именно создании возможности измерения радиусов поверхности обрабатываемой детали, бóльших максимальной величины перемещения эталонного объектива или контролируемой поверхности и длины энкодера интерферометра Физо, сокращении длительности процесса измерения, упрощении конструкции прибора и уменьшении его габаритов. 6 ил.

Устройство для измерения радиуса оптической сферической поверхности, содержащее интерферометр Физо, состоящий из последовательно установленных на одной оптической оси когерентного источника света, светоделительного элемента, коллиматора, эталонного объектива, а также объектива построения изображения интерферограмм и ПЗС камеры, отличающееся тем, что в устройство введен дополнительный светоделительный элемент, установленный между когерентным источником света и светоделительным элементом интерферометра Физо, кроме того, устройство дополнено некогерентным осветителем с регулируемым сдвигом фаз, включающим некогерентный источник света, светоделительный элемент некогерентного осветителя с регулируемым сдвигом фаз, подвижное и неподвижное зеркала, линейный энкодер подвижного зеркала некогерентного осветителя с регулируемым сдвигом фаз, фокусирующую линзу, при этом некогерентный осветитель с регулируемым сдвигом фаз связан с дополнительным светоделительным элементом таким образом, что расходящийся пучок света от него падает на дополнительный светоделительный элемент, при этом радиус контролируемой поверхности R_д равен разности между радиусом эталонной поверхности R_э и расстоянием L между эталонной и контролируемой поверхностями, измеряемыми при помощи некогерентного осветителя с регулируемым сдвигом фаз

L=L1-L2

R_д=R_э-L, где

L - расстояние между эталонной и контролируемой поверхностями;

L1 - расстояние между неподвижным зеркалом и светоделительным элементом некогерентного осветителя с РСФ;

L2 - расстояние между подвижным зеркалом и светоделительным элементом некогерентного осветителя с РСФ в положении максимальной контрастности интерференционной картины;

R_д - радиус контролируемой поверхности;

R_э - радиус эталонной поверхности.