Теневой способ контроля оптических элементов Советский патент 1987 года по МПК G01N21/45 

13305192

„ Изобретение относится к приборо- янием, сфокусированными на исследустроению и может быть использовано для контроля оптических деталей в процессе их изготовления и для аттестации оптических систем, а также для исследования оптических неоднороднос- тей прозрачных сред.

Цель изобретения - повышение информативности и упрощение юстировки.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего способ (разрез А-А); на фиг. 2 - вид Б на фиг.1; на фиг. 3 - оптическая схема приемной части устройства, содержащая систему оптического совмещения теневых картин; на фиг. 4 - схема автоматизированной системы контроля.

Теневой прибор для контроля сферических оптических поверхностей содер- 20 яниями, пирамиду 39 с отражающими жит источник 1 света (ксеноновую боковыми гранями, число которых рав- лампу сверхвысокого давления), установленный на оптической оси 00 коллектора 2. Коллектор 2 формирует изобно числу анализируемых теневых картин, и фотоприемник 40 с объективом 41. Отражающие поверхности 27ражение источника света в плоскости апертурной диафрагмы 3, совпадающей с передней фокальной плоскостью конденсатора 4. За конденсатором 4 на оси 00 расположена теневая диафрагма 5, представляющая собой четырехскатную осесимметричную стекляную пирамиду высотой Н 1,5 см с усеченными боковыми ребрами и с усеченной вершиной. Поверхность сечения ребер пираМИДЫ пр всей длине ребер имеет ширину „с лежали на отражающих гранях пирамиды мм, а поверхность сечения верши39 вблизи ее вершины, и фокальные плоскости соседних линз на пути свето вых пучков совпадали. Объектив 41 установлен на пути световых пучков после их отражения от пирамиды 39 и формирует совокупную теневую картину, по строенную световыми пучками, на свето чувствительной поверхности фотоприемника 40. На пути световых пучков уста новлены шторки 42 и 43, с помощью которых зти пучки пооч ередно перекрываются.

ны пирамиды имеет форму восьмиугольника, длина глав.ной диагонали которого h 1,5 мм. Угол между диагональными усеченными ребрами пирамиды составляет 90 . Основание и усеченная вершина пирамиды прозрачны, а на все ее боковые поверхности нанесе но отражающее (нихромовое) покрытие. Плоскость Ч светового отверстия в теневой диафрагме 5 перпендикулярна оси 00 и оптически сопряжена с плоскостью расположения коллектора 2, а центр светового отверстия совпадает с центром кривизны О, исследуемой поверхности 6, оптическая ось которой совпадает с осью 00. В плоскости лежат оси симметрично расположенных фотоприемников (фотодиодов) 7, 8,9 и 10, регистрирующих суммарные световые потоки на их светочувствительные поверхности, и фотопластин 11, 12, 13 и14 с о бъективами 15, 16, 17 и 18 с переменным фокусным расстоемую поверхность 6 через отражающие плоскости сечения теневой диафрагмы

5. Фотопластины 11, 12, 13 и 14 снабжены шторками 19, 20, 21 и 22. Между теневой диафрагмой 5 и фотоприемниками 7, 8, 9 и 10 установлены конден- соры 23, 24, 25 и 26, таким образом,

что площадь сечения световых пучков, отраженных от поверхности 6 и затем отраженных от боковых граней диафрагмы 5, полностью вписана в площадь светочувствительного слоя фотоэлектрических приемников 7, 8, 9 и 10.

Приемная часть помимо теневой диафрагмы 5 включает в себя плоские отражающие поверхности 27-30, .линзы 31-38 с одинаковыми фокусными расстояниями, пирамиду 39 с отражающими боковыми гранями, число которых рав-

но числу анализируемых теневых картин, и фотоприемник 40 с объективом 41. Отражающие поверхности 2730 служат для изменения нащравления распространения световых пучков , отраженных от граней теневой диафрагмы 5, и для сведения их на боковые грани пирамиды 39. А линзы 31-38 установлены на пути распространения световых пучков так, чтобы передние фокусы линз 31 и 32 совпадали с кромками светового отверстия в теневой диафрагме 5, задние фокусы линз 37 и 38

лежали на отражающих гранях пирамиды

39 вблизи ее вершины, и фокальные плоскости соседних линз на пути световых пучков совпадали. Объектив 41 установлен на пути световых пучков после их отражения от пирамиды 39 и формирует совокупную теневую картину, построенную световыми пучками, на светочувствительной поверхности фотоприемника 40. На пути световых пучков установлены шторки 42 и 43, с помощью которых зти пучки пооч ередно перекрываются.

Способ осуществляется следующим образом.

Световой пучок излучаемьм источником 1 света и проходящий через световое отверстие в теневой диафрагме 5, падает на поверхность 6 и, отразившись от нее, формирует абберриро- ванное изображение светового отверстия в плоскости . Так как центр светового отверстия в теневой диафрагме 5 совпадает с центром кривизны О, исследуемой поверхности, то

падающие на фотоприемники 7-10 световые потоки вызывают одинаковые электрические сигналы с них. Ось С, С элементарного светового пуч- ка, отраженного от элементарной площадки dS, пересекает плоскость / з точке С, удаленной от центра светового отверстия 0 на расстояние t 2Rd, где R - радиус кривизны ис- следуемой поверхности, а с - угол между осью С,С. и нормалью к элементарной площадке dS. При обычно имеющем место диапазоне тангенциальных отклонений контролируемой поверхнос- ти смещения t малы по сравнению с h, и площадь поперечника той части элементарного светового пучка,, которая падает на отражающую поверхность сечения ребра диафрагмы 5, можно считать равной ht , где t - проекция вектора t на направление, нормальное к кромке поверхности . При открытии шторок 19-22 отраженный от поверхности t элементарньй световой пучок падает на элементарный участок dS фотопластины 13, оптически со- пряженньш с элементарной площадкой dS. Освещенность площадки dS , таким образом пропорциональна составляющей t тангенциального отклонения t в участке волнового фронта, сформированном элементарной площадкой dS контролируемой поверхности. При этом соответствующая элементарная площад- ка ds фотопластины 11,, установленной симметрично фотопластине 13 относительно оси 00, имеет нулевую освещенность, так как на нее свет от

участка dS не попадает. Таким образом,до ными единицами и единицами из.мерев плоскостях расположения фотопластин 11-14 формируются четыре теневые картины, которые попарно содержат взаи-. модополняющую информацию о составляющих тангенциальных отклонений сформированного поверхностью 6 волнового фронта в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Источник 1 света и теневую диафрагму 5 устанавливают вдоль оптической оси 00, добиваясь совпадения светового отверстия в диафрагме с его изображением, построенным поверхностью 6. При этом добиваются равенства сигналов с фотоприемников для точного выставления теневой диафрагмы симметрично на оси 00 и минимальности сигналов для точной установки светового отверстия диафрагния тангенциальных отклонении опред ляют с помощью операции калибровки. Сдвигая теневую диафрагму 5 в напра лении X на известное расстояние &

45 осуществляют тем самым выбор новой сферы, относительно которой произво дится регистрация отклонений волнового фронта, со смещенным на 2 & X в направлении X центром, и фиксиру

50 полученное таким образом распределе ние освещенности на новой фотопласт не, установленной на месте фотоплас тин 11. Изменение по сравнению с фо топластиной 11 освещенности теневой

55 картины соответствует тангенциально му отклонению 2дХ. Полученные таким o6pai3OM массивы составляющих в двух направлениях X и У векторов тангенциальных отклонений t используют за

iы 5 в плоскость центра кривизны поверхности 6. Симметрично устанавливают четыре приемные системы: объек- тив-диафрагма-фотопластина, состоящие из элементов 11-22, вдоль взаимно перпендикулярных осей,лежащих в плоскости светового отверстия .теневой диафрагмы, нормального к ее сторонам, и одинаковым образом фокусируют их на контролируемую поверхность 6, Затем одновременно открывают шторки 19-22 и производят фотографирование четырех образуемых тенев згх картин с одинаковым временем экспозиции. Устанавливают координатное соответствие между полученными таким образом фотографиями поверхности 6 и по распределению почернения в них рассчитывают в условных единицах распределение ос-. вещенности в теневых картинах. Составляющие тангенциальных отклонений в точках исследуемого фронта в направлении х от центра светового отверстия к фотопластине 11 принимают равными разности полученных ос- вещенностей в соответствующих точках теневых картин, формируемых на диагонально расположенных в приборе -фо- топластинах 11 (уменьшаемое) и 13 (вычитаемое). Обставляющие тангенг циальньгх отклонений в направлении от центра светового отверстия-в теневой диафрагме к фотопластине 14 принимают равньми разности освещен-; ностей, полученных на фотопластинах 14 (уменьшаемое) и 12 (вычитаемое). Масштабный коэффициент между условния тангенциальных отклонении определяют с помощью операции калибровки. Сдвигая теневую диафрагму 5 в направлении X на известное расстояние & X,

45 осуществляют тем самым выбор новой сферы, относительно которой производится регистрация отклонений волнового фронта, со смещенным на 2 & X в направлении X центром, и фиксируют

50 полученное таким образом распределе-. ние освещенности на новой фотопластине, установленной на месте фотопластин 11. Изменение по сравнению с фотопластиной 11 освещенности теневой

55 картины соответствует тангенциальному отклонению 2дХ. Полученные таким o6pai3OM массивы составляющих в двух направлениях X и У векторов тангенциальных отклонений t используют затем для определения нормальных отклонений N контролируемой поверхности 6 от сферической формы, принимая в расчет соотношение

7 2R-grad N.

Рассчитанная топографическая карт контролируемой поверхности (представляющая -собой топографическую карту исследуемого волнового фронта в масштабе 1:2) характерирует ее качество и в случае проведения контроля в процессе изготовления оптической поверхности позволяет правильно выбрать ре жим ее дальнейшей доводки.

Пример, В качестве источника 1 света использовалась ксеноновая лампа сверхвысокого давления в осветителе для микроскопов ХВО 101 (Karl Zeiss Jena), Теневая диафрагма 5 выполнена в виде прямоугольной призмы с усеченным ребром прямого угла и нихромовым покрытием на ее боковых гранях. Ширина поверхности сечения ,8 мм, размеры основания призмы 20x34 мм. Теневые картины формировались в отраженном от боковых граней призмы 5 свете на светочувствительных элементах телевизионных приемников (видикон ЛИ 426-1) 44 и 45 с помощью объективов (Helios-44-2) 46 и 47. Оптическая часть системы контроля была установлена на вращающейся платформе 48. С помощью телекамеры 49 производилось поочередное сканирование теневьрс картин через коммутатор 50, переключающийся через кадр с одного фотоприемника на другой. Распределение освещенности в теневых картинах, принимаемое фотоприемниками 44 и 45 и преобразованное в электрические сигналы, поступало в аналого-цифровой преобразователь (АЦ11)51, откуда преобразованное в двоичный код принималось и обрабатывалось ЭВМ (электроника-60) 52, Видеоконтрольное (ВК-59) устройство 53 использовалось для просмотра теневых картин и юстировки системы, Резуль- таты контроля выводились на графопостроитель (Н304) 54 и печатающее устройство (Consul-260) 55, Для построения топографической карты контролируемой поверхности 6 производилось

сканирование теневых картин при различных ориентациях оси расположения приемников 44 и 45, для чего платформу 48 поворачивали на известный угол.

D(,6 мкм; D

Исследовались напыленные сферичесие поверхности диаметром D, 300 мм, 300мм, мм и с радиусом кривизны соответственно ,5 м,

,2 м, R.j 1,6 м,

Амплитуда нормальных отклонений контролируемых поверхностей от сфе- рической формы составляла D, 0,4мкм;

0,5 мкм.

Формула изобретения

Теневой способ контроля оптических элементов, включающий освещение контролируемого элемента через световое отверстие в зеркальной теневой диафрагме, совмещение светового отверстия с его изображением и исследование распределения освещенности в теневой картине, формируемой в отраженном от зеркальной поверхности диафрагмы свете, о тличающи й- с я тем, что, с целью повьшения информативности способа повышения точности за счет уменьшения уровня фоновой засветки теневой картины и упрощения юстировки, совме стно с первой теневой картиной исследуют по крайней

мере три дополнительные теневые картины, при зтом теневые картины формируют в свете, отраженном от определенного участка теневой диафрагмы, выполненной в виде многогранной усе;ченной пирамиды с прозрачными основанием и поверхностью сечения и зер- кальньми гранями, выбирают положение теневой диафрагмы, при котором теневые картины минимальную суммарную освещенность, из-соотношения ос- вещенностей в сопряженных точках теневых картин определяют распределение градиента нормальных отклонений волнового фронта, аберрированного

.контролируемым оптическим элементом, и из полученного распределения рассчитывают топографическую карту волнового фронта, по которому судят о качестве исследуемого оптического

элемента.

/-/}

//

.::5 cs - tpuf.2

го а

/cc f fMtt/tj

Z7

29

36

w

фие.Ъ

//////////А

4S

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля оптических деталей в процессе их изготовлениями для аттестации оптических систем. Цель изобретения - повышение информативности и упрощение юстировки. Для этого контролируемый оптический элемент осве-щают через световое отверстие в теневой диафрагме, выполненной в. виде многогранной усеченной пирамиды с отражающими боковыми гранями и с прозрачными основанием и поверхностью „я сечения. Используют Контролируемый оптический элемент, в качестве элемента автоколлимационной схемы и совмещают световое отверстие в теневой диафрагме с его аберрированным изображением. Совместно анализируют теневые . картины, формируемые в отраженном от боковых граней теневой диафрагмы свете, рассчитывая по соотношению осве- щенностей в них векторное поле тангенциальных отклонений волнового фрон-. та, сформированного при участии конт- .ролируемого элемент, и затем рассчитывают его топографическую карту, ха- paкtepизyющyю качество контролируемого элемента. 4 ил. . (Л со оо о сд со

Редактор Л. Повхан

Составитель Ю. Гринева

Техред А.Кравчук Корректорши. Муска

Заказ 3575/45Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ерик 4