Фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей Советский патент 1983 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначенной для контроля формы ОПТИ ческих поверхностей, и может быть использовано в производстве, занятом изготовлением и эксплуатацией /высококачественных оптических систем, в том числе и крупногабаритных. Известен фотоэлектрический интер ферометр, .построенный по схеме Тваймана-Трина и содержащий генератор опорного напряжения, модулятор фотоприемники, блок опроса фотоприемников и блок обработки сигналов Cl Недостатком интерферометра являе ся низкая точность контроля поверхностей крупногабаритных оптических деталей,обусловленная высокой чувс вительностью интерферометра к вибра циям, а также сравнительно большим временем съема измерительной информации, .. Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению является фотоэлектрический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей, содержащий лазерный источник света, расположенные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель, възполненный в виде плоскопараллельной пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый, фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения, подклю ченный к модулятору, блок опроса, п.ездключенный к выход 1М фотоприемников рабочего и опорного канешов, и блок обработкисигналов, пo ;ключeнный к выходу блока onpocatzjj. Недостатком известного интерферометра является сравнительно низкая точность контроля, обусловленная тем, что для построения топогра фической карты контрблируемой поверхности необходимо обработать две интерференционные картины с взаимно перпендикулярным направлением боко вого сдвига волновых фронтов с последующей математической увязкой результатов измерений, а также тем что опорный канал интерферометра вы полнен независи1«ым от рабочего канала, в связи с чем Отсутствует во можность компенсации погрешностей измерений, вызванных воздействием внешних дестабилизующих факторов. Цель изоёреуения - повышение точности кон гроля. Поставленная цель достигается тем, что фотоэлект)ический интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей, содержащий лазерный источник света, расположенные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель, выполненный в виде плоскопараллельной пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения, подключенный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов, и блок обработки сигналов, подключенный к выходу блока опроса, снабжен третьим светоделителем,выполненным в виде куб-призмы и расположенным между проекционным объективом и первым фотоприемником, выполненным в виде фотодиодной матрицы, второй фотоприемник,идентичен первому и установлен на пути излучения за третьим светоделителем в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью первого фотоприемника, второй светоделитель идентичен третьему, узел сдвига выполнен в виде двух сферических зеркал,радиусы кривизны которык отличны друг от друга, сферические зеркала установлены на пути излучения за вторым светоделителем и ориентированы так, что их фокусы оптически сопряжены, модулятор выполнен в виде двух идентичных пьезокёрамических элементов, каждый из которых механически скреплен с одним из сферических зеркал, генератор опорных напряжений выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых электрически связан с входом одного из пьезокёрамических элементов, блок опроса выполнен с синхронизирукицим входом, электронная система снабжена амплитудным ограничителем, включенньм между генератором опорного напряжения, И модулятором, а амплитудный ограничитель выполнен с управляющим выходом j который электрически связан с синхронизирукицим входом блока опро.са., . , , На чертеже показана принципиаль ная схема одного из возможных вари антов Фотоэлектрического интерферометра для контроля формы noBepxHo j7ти оптических деталей. .Интерферометр содержит лазерный источник 1 света, телескопическую систему 2, светоделитель 3,.вьшолненный в видеплоскопараллельной пластины, объектив 4, светодели - . тель 5,выполненный в виде куб-призмы, узел сдвига, выполненный в виде двух сферических зеркал 6 и 7, проекционный объектив 8, светоделитель 9, выполненный в виде куб-призм мы, фотоприемники 10 и 11, выполненные в виде двух идентичных фотодиодных матриц, и электронную систему, состоящую из модулятора, выполненного в виде двух идентичных пьезокерамических элементов 12 и 13, генератора 14 опорного напряжения, амплитудного ограничителя 15, блока 16 опроса и блока 17 обработки сигналов .

Интерферометр ориентируется так, что центр кривизны контролируемой пверхности 19 совпадает с фокусотл объектива 4.

Телескопическая система-2, светоделитель 3 и объектив 4 расположены по ходу луча лазерного источника 1,

Светоделитель 5 установлен в обратном ходе лучей за светоделителем 3..

Сферические зеркала 6 и 7, образющие узел сдвига, выполнены с отличными друг от друга радиусами кривизны, установлены на пути излучения за светоделителем 5.и ориентированы так, что их фокусы оптически сопряжены.

Проекционный объектив 8, светоде; литель 9 и фотоприемник 10, образующий рабочий канал, установлены последовательно в обратном ходе лучей за светоделителем 5. Фотоприемник 1 образующий опорный канал, установле на пути излучения за светоделите- лем 9 в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувстви г тельной поверхностью фотоприемника 10, образующего рабочий канал.

Йьезокерамический элемент 12 мо. дулятора механически скреплен со сферическим зеркалом 6, а пьезокерамический элемент 13 модулятора со сферическим зеркалом 7.

Генератор 14 опорного напряжения выполнен с двумя противофазными выходами, один из которых электрически связан через амплитудный . ограничитель 15 с входом пьезОкерамического элемента 12 модулятора, : а второй - с входом пьезокерамического элемента 13 модулятора.

Блок 16 опроса подключен к выходам фотоприемников 10 и 11 рабоче,го и опорного каналов соответственн :и выполнен с синхронизируквдим входом .

: Амплитудный ограничитель 15 выполнен с управлянмцим входом, который электрически связан с синхрони-; зирующим входом блока 16 опроса.

Блок 17 обработки сигналов подключен к выходу блока 16 опроса.

Интерферометр работает следующим образом.

ч

Излучение источника 1 проходит телескопическую систему 2, светоделитель 3 и поступает в объектив 4, который преобразует его в сферический волновой фронт, распространякадийся по нормали к контролируемой поверхности Д8. При отражении от контролируемой поверхности 18 волновой фронт деформируется в соответствии с ошибками ее формы,а следовательно, содер-, жит информацию о качестве контролируемой поверхности 18.

Отраженный от контролируемой поверхности 18 волновой фронт проходит объектив 4 в обратном направлении и, после отражения от светоделителя 3, поступает в светоделитель .5, которыйразделяет по .амплитуде на две части и направляет одну из них на сфери- ческое зеркало 6, а другую - на сфе5рическое зеркало 7.

После отражения от сферических зеркал 6 и 7 обе части волнового фронта проходят светоделитель 5 в обратном направлении, интерферируют я со0бираются в точке совмещенных фокусов сферических зеркал 6 и 7. Благодаря тому, что радиусы кривизны сферичес-, ких зеркал 6 и 7 отличаются друг от друга, интерферирующие волновые фрон5ты отличаются по апертуре, т.е. имеет место интерференция радиального сдвига. Затем интерферирующие волновые фронты проходят проекционный объектив 8, а светоделитель 9 направ0ляет их на фотоприемник 10 рабочего канала и фртоприеь4ник 11 опорного канала. Проекционный объектив 8 осуществляет оптическое сопряжение контролируемой поверхности 18 со светочувствительньми поверхностями :

5 фотодиодных матриц..Переменное напряжение с выходрв. генератора 4 iчерез амплитудный ограничитель 15 поступает на входы пьезокерамических элементов 12- и 13, которые приводят

0 сферические зеркала 6 и 7 в возвратно-поступательное движение с частотой, равной частоте напряжения, вырабатываемого генератором 14. Поскольку напряжения, подаваемы,е на

5 входы пьезокерамических элементов 12 и 13, противофазны, то возвратнопоступательное движение сферических зеркал 6 и 7 осуществляется также в про ивофазе и вызывает периодичес0кое изменение разности хода интерферирукадих лучей, что приводит к возвратно-поступательному смещению интерференционных полос в плоскости регистрации, т.е. осуществляется (МОДУЛЯЦИЯ интерференционной картины.

5 Фотодиодные матрицы работают в режиме прямого детектирования сигна ла, т.е. закон изменения электрических йигналов на выходах их элеме тон повторяет закон изменения освещенности на светочувствительных пло щадках этих элементов. При этом соотношение начальных разностей фаз электрических сигналов с выходов элементов одной из фотодиодных матр определяется характером распределеНИН освещенности в пределах светочувствительной поверхности всей мат рицы, т.е. видом регистрируемой интерференционной картины. Амплитудный ограничитель 15 ерезает нелинейные участки переменных напряжений, питающих пьезокерамичес кие элементы 12 и 13. В результате .снижается коэффициент гармоник элек рических сигналов с фотодиодных мат риц, что позволяет осуществлять их регистрацию и обработку с высокой точностью, а также улучшаются динамические характеристики модулятора, а следовательно, и всего инте ферометра, за счет снижения интенсивности переходных электро-механических процессов, возникающих в пьезокерамических элементах 12 и 13 при переходе питающих напряжений че рез экстремальные точки. Кроме того, амплитудный ограничи тель 15 формирует на своем управляющем выходе сигналы, соответствующие начсшу и концу линейных участко напряжений, питаклцих пьезокерамичес кие элементы 12 и 13. Сигналы с управляющего выхода амплитудного ограничителя 15 поступают на синхронизирукнций вход блока 16 и управляют его работой: по первому сигналу блок 16 начинает опрос фотодиодных матриц, а по второму сигналу прекращает опрос. Блок 16 осуществляет построчный опрос всех элементов матрицы фотоприемника 10 рабочего канала и многократный опрос с той же частотой одного из элементов, выбранного в качестве опорного, матрицы фотоприемника 11 опорного канала, т.е. одновременно с опросом какого-либо элемента матрицы фотоприемника 10 опрашивается опорный элемент матрицы фотоприемника 11. . Полученные сигналы поступают в блок 17 обработки сигналов, который осуществляет сравнение начальной фазы сигнала какого-либо элемента матрицы фотоприемника 10 с Начальной фазой соответствующего ему сигнала опорного элемента матрицы фотоприемника 11, последуюцую математическую обработку результатов измерений и построение топографической карты контролируемой поверх ности 18. Использование в качестве фотоприемника опорного канала фотодиодной матрицы фОтоприемника 11,идентичной фотодиодной матрице фотоприемника 10 рабочего канала, позволяет выбрать положение опорного элемента матрицы фотоприемника 11 в любой точке выходного зрачка контролируемой поверхности 18 независимо т конфигурации зрачка (круг, коль-.; цо, квадрат и т.д.), а также проводить серии измерений при различных положениях опорного элемента в пределах выходного зрачка с последующим усреднением результатов . . Повышение точности контроля формы поверхности озртических деталей при использовании данного интерферометра достигается за счет снабжения его светоделителем и амплитудным ограничителем при соответствующем выполнении остальных элементов.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПО- ВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, содержащий лазерный источник света, распО7(оженные последовательно по ходу его лучей телескопическую систему, первый светоделитель выполненный в виде плоскопараллельной, пластины, и объектив, расположенные последовательно в обратном ходе лучей за первым светоделителем второй светоделитель, узел сдвига, проекционный объектив и первый фотоприемник, образующий рабочий канал, второй фотоприемник, образующий опорный канал, и электронную систему, включающую модулятор, генератор опорного напряжения, подключенный к модулятору, блок опроса, подключенный к выходам фотоприемников рабочего и опорного каналов,и блок обработки сигналов, подключенный к выходу блока опроса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, он снабжен третьим светоделителем, выполненным в виде куб-призмы и расположенным между проекционным объективом и первым фотоприемником, выполненным в виде фотодиодной матрицы, второй фотоприемник идентичен первому и уста новлен на пути излучения за третьим светоделителем в положение, при котором его светочувствительная поверхность оптически сопряжена со светочувствительной поверхностью первого фотоприемника, второй светоделитель идентичен третьему светрдели- { телю, узел сдвига выполнен в виде i (Л двух сферических зеркал, радиусы кривизнЕЛ которых отличны друг от друга, сферические зеркала установлены на пути излучения за вторым светоделителем и ориентированы так, что их фокусы оптически сопряжены, модулятор выполнен в виде двух идентичных пьеэокерамических элементов, каждый из которых механически скреплен с одним из сферических зеркал, генератор опорных напряOi жений выполнен с двумя противофазны-г tsD ми выходами, каждый из которых элект Сл рически связан с входом одного из пьезокерамических элементов, блок опроса выполнен с синхронизирующим входом, электронная система снабжесо на с1Мплитудным ограничителем f включенным между генератором опорного напряжения и модулятором, а ампли тудный ограничитель выполнен с управляющим выходом, который электрически связан с синхронизирующим входом блока опроса.