Способ контроля качества оптических систем и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01M11/02 

2, Устройство для контроля качест ва оптических систем, содержащее источник когерентного излучения, два оптических канала, первый из которых включает телескопическую систему и контролируемую оптическую систему, матрицу фотоприемников, подключенную к блоку адресного опроса, отличающееся тем, что, с целью. повЬпления точности контроля, второй оптический канал вьтолнен в виде установленных по ходу луча перteoro плоского зеркала, телескопической системы, объектива, второго плос

кого зеркала, полупрозрачной пластины за которой установлена матрица фотоприемников причем ее светочувствительная поверхность перпендикулярна оптической оси первого оптического канала, а центральный фотоприемник матрицы расположен на указанно оптической оси, и, кроме того, в устройство введены два усилителя и фазовый детектор, выходы блока адресного опроса подключены через усилители к входам фазового детектора, а источник излучения выполнен в виде кольцевого лазера.

1. Способ контроля качества оптических систем, заключающийся в том, что формируют два световых пучка, один из которых с частотой NI направляют на контролируемую оптическую систему, совмещают с другим пучком и преобразуют полученные оптические сигналы в электрические с помощью матрицы фотоприемников, о т л и ч .а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности контроля, 11торой пучок . формируют с частотой Jj, преобразование оптических сигналов в электрические осуществляют на разностной частоте 1); - Vj , вьщеляют опорный электрический сигнал, соответствующий центральной зоне волнового фронта, измеряют разность фаз между электрическими сигналами в выбранных зонах волнового фронта пучка, прошедшего через исследуемый объектив, с опорным (Л электрическим сигналом, при этом выбор зон контроля производят путем опроса электрических сигналов с фотоприемников матрицы, расположенных /о вокруг центральной зоны, а по изме- ренной разности фаз судят о качестве оптической системы.

1

Изобретение относится к изнерителной технике и может быть использовано для автоматизированного контроля качества оптических систем.

Известен способ контроля качества оптических систем, основанный на разделении апертуры контролируемой системы, формировании волновых фронтов и измерении пространственного распределения фазы отраженного от оптической системы волнового фронта, осуществлении сдвига фазы пространственно распределенного излучения лазера с помощью фазовращателей на ч брегговских ячейках и четвертьволновых пластинок и измерении фазы опорной волны в каждом канале с помощью гетеродинных детекторов, состоящих каждый из дополнительной брегговской ячейки, четвертьволновой пластин ки и зеркала Cl.

Недостатком данного способа является влияние на точность контроля ошбок сдвига фазы, вносимых брегговскими яяейками и четвертьволновыми пластинками, что вызывает неравномерность фазового сдвига между каналами .

Известен также сГпособ для контроля оптических поверхностей и линз, з ключающийся в том, что фЪрмируют два световых пучка, один из которых с частотой направляют на контролируемую оптическую систему, совмещают с другим пучком и преобразуют полученные оптические сигналы в

Iэлектрические с помощью матрицы фото рриемников 2.

Устройство для реализации данного способа содержит источник когерентного излучения, два оптических канала, первый из которых включает телескопическую систему и контролируемую оптическую систему, матрицу фотоприемников, подключенную к блоку адресного опроса. Другой оптический канал содержит четвертьволновую пластинку и эталонное подвижное плоское зеркало, закрепленное на пьезоэлектрическом устройстве для его перемещения .

Недостатками известных способа и устройства являются погрешности измерения, обусловленные изменениями частоты сканирования при осуществлении интерференционной модуляции с помощью подвижного зеркала, а также его .угловых разворотов во время поступательного перемещения, нелинейность скорости перемещения, что снижает точность и надежность контроля.

Целью изобретения является повышение точности контроля качества оптических систем.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу контроля качества оптических систем, заключакицемуся в том, что Формируют два свето вых пучка, один из которых с часто- . той Vi/,,(, направляют на контролируемую оптическую систему, совмещают с другим пучком и преобразуют полученные оптические сигналы в электрические с помощью матрицы фотоприемников, второй пучок формируют с частотой f-f, преобразование оптических сигналов в электрические осуществляют на разностной частоте V ц - il , вьиеляют опорньй электрический сигнал, соответствующий центральной зоне волнового фронта, измеряют разность фаз между электрическими сигналами в выбранных зонах волнового фронта пуч ка, прошедшего через исследуемую опт ческую систему, с опорным электричес ким сигналом, при этом выбор зон контроля производят путем опроса эле трических сигналов сфотоприемников матрицы, расположенных вокруг центральной зоны, а по измеренной разнос ти фаз судят о качестве оптической системы. .В устройстве дпя контроля качества оптических систем, срдержащем источник когерентного излучения, два оптических канала, первьш из которых включает телескопическую систему и контролируемую оптическую систему, матрицу фотоприемников, подключенную к блоку адресного опроса, второй оптический канал выполнен в виде установленных по ходу луча первого плоского зеркала, телескопической систем объектива, второго плоского зеркала, полупрозрачной плас.тины, за которой установлена матрица фотоприемников, причем ее светочувствительная поверх ность перпендикулярна оптической оси первого оптического канала, а цент.ральный фотоприемник матрицы располо жен на указанной оптической оси, кро ме того, в устройство введены два ус лителя и фазовый детектор, выходы блока адресного опроса подключены через усилители к входам фазового де тектора, а источник излучения выполнен в виде кольцевого лазера. На чертеже показана оптическая схема устройства, реализующего пред лагаемый способ. Устройство реализующее способ кон роля качества оптических систем со|держит источник 1 когерентного излучения, выполненньЕй в виде кольцево го лазера, телескопическую систему 2, контролируемую оптическую систеNfy 3, полупрозрачную пластину 4, матрицу 5 фотоприемников, телескопическую систему 6, объектив 7, плоские зеркала 8 и 9. Устройство содерж также блок 10 адресного опроса, два усилителя 11, фазовый детектор 12, Оптическая система устройства состоит из двух каналов, один из которых служит для формирования волнового фронта V и включает в себя телескопическую систему 2, состоящую из микробъектива и объектива. Контролируемая оптическая система 3 устанавливается в первом канале за телескопической системой 2, полупрозрачная пластина 4 установлена перед матрицей фотоприемников 5 под углом 45 к оптической оси и служит для совмещения двух волновых фронтов. Второй оптический канал для формирования волнового фронта включает вторую телескопическую систему 6, выполненную аналогично телескопической системе 2, за ней установлен объектив 7 и плоское зеркало 8, плоское зеркало 9 установлено перед телескопической системой 6. Матрица 5 фотоприемников установлена за полупрозрачной пластиной 4 по ходу луча, причем ее светочувствительная поверхность расположена перпендикулярно оптической оси первого оптического канала и образует плоскость анализа, а центральный фотоприемник совпадает с этой осью. Выходы матрицы 5 фотоприемников соединены с соответствующими входами блока 10 адресного опроса, основной выход которого подключен через усилитель 11 к первому входу фазового детектора 12, выход которого является выходом всего устройства. На другой выход устройства подключен координатный выход блока 10 адресного опроса. Устройство работает следующим образом. Кольцевой газовый лазер 1 генерирует стабилизированные оптические частоты J и I . При выходе из кольцевого резонатора излучения с частотамиМд и 2 пространственно разделены. Излучение с частотой V направляют в один оптический канал устройства,, а излучение с частотой Ij. во второй канал. Разность оптических час|тот и-М( для кольцевых гелий-HeoHOjвых лазеров составляет величину в несколько сотен килогерц и поддержи-, вается с точностью в несколько герц в течение длительного времени. Вол- новой фронт с частотой t направляют на телескопическую систему 2, формирующую плоский волновой фронт необходимого сечения, который направляют на контролируемую оптическую систему 3 . Проходя через оптическую систему 3, волновой фронт деформируется, величина и характер деформации обус- 5 ловлены качеством контролируемой оптической системы 3, Волновой фронт ц направляют на зеркало 9 и затем на телескопическую систему 6, формирующую плоский волновой фронт. Плоский волновой фронт М посыпают в объектив 7, а затем на плоское зеркало 8 и полупрозрачную пластину 4, где он встречается с волновым фронтом ц , и таким образом осуществляют оптическое гетеродинирование. Благодаря биениям между оптическими сигналами с частотами i i и | происходит преобразование спектра принимаемого сигнала с переходом к более низкой частоте. Совмещенные в пространстве волновые фронты попадают на матрицу 5, которая осуществляет преобразование оптических модулированных сигналов в электрические. i(t)2ka cos(Wi-W2)t +У +f,., i(t) - ток фотоприемника; к - постоянная регистрации а - амплитуда сигнала; U) - круговая частота to Чд U fц - постоянные фазовые члены. Так как сигналы на частотахо).,,u(j и () не детектируются фотоприемником ввиду высокой частоты, то их можно считать постоян: ым фоном. Сигналы на частоте () снимают с фотоприемников, при этом вся информация о фазе оптических сигналов сохраняется.

Измерение разности фаз между электрическим сигналом, принятым за опорный и получаемый с центрального фотоприемника, и сигналами с периферийных фотоприемников осуществляют следующим образом. На один из входов блока адресного опроса 10 непрерывно поступает опорный сигнал с центрального фотоприемника матрицы 5, и далее с выхода опорного сигнала блока 10 этот сигнал непрерывно поступает через усилитель 11 на второй вход фазового детектора 12. Блок 10 адресного опроса осуществляет последовательную комму- тацию сигналов с периферийных фотоприемников матрицы 5. С основного выхода блока 10 эти сигналы через усилитель 11 последовательно nocj- . тунают на первый вход фазового детектора 12. Фазовый детектор 12 вырабатывает на выходе напряжение, величина которого пропорциональна разности Фаз сравниваемых сигналов. Сигналы с вькода устройства могут быть направлены в ЭВМ дпя дальнейшей обработки, при этом с третьего выхода блока 10 может быть направлена информация о координате зоны сравнения. Предлагаемые способ и устройство для его реализации обеспечивают повьшенную точность контроля благодаря использованию оптического гетеродинного анализа измерительных сигналов, не чувствительных к внешним возмущениям, усреднению во времени измеряемой величины. Погрет-, ность измерения оптической разности фаз волновых фронтов не превышает 1°, что соответствует деформации волнового фронта, равной Л/360 .

у«4к

A-ni,

7 t