Способ контроля асферических поверхностей Советский патент 1988 года по МПК G01B21/30 

со

со

С5

to

О5

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть исппльяонано при контроле асферичес- чик оптических поверхностей при изго- 1овлении линз и зеркал с асферическими поверхностями в оптическом приборостроении.

Цепт, изобретения - повышение точности контроля асферических оптических поверхностей за счет выделения первой гармоники огибающей монохрома- Ическо световой волны, отраженной .п поверхности, которая синусоидаль- 1,0 промодулирована в фокальной плос- гссстн контролируемой поверхности.

На ертсже припеяепа блок-схема V Г: груйстт а, реализующего способ.

V

стройство содержит источник 1

; ч-люхромятического излучения (лазер) : - С11 иритель 2 монохроматического из- /чепия, формирующую диафрагму 3, 1 пк,1ло А, призму 5, закрепленную на ислвлжном блоке 6 сканирования конт- рол1 руеыо1 поверхности 7, модулятор .iip.i.nH iTopa изображения (МАИ), ; ijnei-aiH:; излучения (ПИ) 9 основного лаи,-;ля, усилитель 10, источник 11 |Я j riinec ь firo 1з:тучения опорного ка- ,, гри. 12 излучения опорного ;jH,T;ia, Л- Я- о В ратЯ-гепъ 13, фазовый де i-екгор 14, д,атчик 15 линейных пере- ещепий, микропроцессор (МП) 16 и и:стему 17 индикации.

Устройство работает следующим образом.

Излуче {ие лазера 1 , сформированное расширителем 2 и диафрагмой 3, Мправляется посредством зеркала А и -1рт1змы 5 параллельно оптической оси оптической поверхности 7. После от- тсужения от контролируемой зоны поверхности 7 в меридианальном сечении излучение попадает на МАИ 8, установленный в фокальной плоскости контролируемой поверхности 7, Если в контролируемой зоне отсутствуют погреш- -кости формы, то изображение диафраг- ihi 3 совпадает с фокусом поверхности 7„ Если имеются погрешности формы, задаваемые отклонением нормали Л (/

то изображение диафрагмы 3 смещено

относительно фокуса на величину р

При зтом центр вращения MAIi смещен относительно оптической оси вдоль ос Ох на,величину Ь. Измерение величины u(f для каждой зоны (k,i) в устройстве осуществляется следующим обра- зo. Отраженное от зоны поверхности

7 оптическое излучение после МАИ 8 попадает на ПИ 9, электрический сигнал с которого усиливается и подается на первый вход 4 азового детектора 1А. Одновременно формируется опорный сигнал оптронной парой, состоящей из источника 11 излучения и приемника 12 излучения. Электрический

опорный сигнал через усилитель 10 и фазовращатель 13 подается на второй вход фазового детектора 14. Сиг- гал с последнего и сигнал с датчика 15 линейных перемещений, задающего

контролируемую зону поверхности, поступают на МП 16 одновременно. После обработки информации на МП 16 по приведенному алгоритму результаты контроля выдаются на систему 17 индикации

или на лрограь(мно-командный блок . станка, если при доводке асферической поверхности используется АСУ ТП.

5

5

Зависимость выходного сигнала с ПИ 9 основного канала при наличии погрешности формы у контролируемой асферической поверхности 7. Для упрощения анализа считают, что контролируемая поверхность 7 является дифрак- 0 ционно ограниченной оптической системой квадратной формы со стороной D, а источник монохроматического излучения состоит из лазера 1, расширителя 2 и диафрагмы 3 квадратной формы со стороной 2а. Анализ изображения диафрагмы 3 производится в плоскости Гаусса ( Ур), где располагается МАИ 8, представляющий собой вращающийся с постоянной угловой скоростью Я секторньй растриз набора прозрачных и непрозрачных секторов, пространственный период которого 1ц,, а его коэффициент пропускания описывается функцией А л,о„ (х,,Ур). При этом центр растра смещен в поперечном направлении вдоль оси Ох на величину Ь. Для преобразования энергии отраженного от контролируемой поверхности 7 оптического излучения в электрическую после МАИ 8 помещен ПИ 9, центр чувствительной площадки которого совпадает с фокусом F контролируемой поверхности. Чувствительность квадратной площадки ПИ 9 со стороной 2с описьгаается функцией

0

5

0

5

Н„ц(Хр,(|), а свойства ПИ 9 определяются величиной чувствительности SMOKC и характеристикой 8(/1) , а инерционные свойства ПИ 9 характеризуются его частотной характеристикой И ( V) .

Делят входной зрачок контролируемой поверхности на М -- равных

/- ст.

частей вдоль осей , и находят выражение для сигнала с ПИ 9 (Jni/ (t) при исследовании поверхности 7 плоским когерентным волновым фронтом. Считают, что на исследуемую зону (k,i) квадратной формы падает плоская когерентная волна с амплитудой UQ

k,

,x-ka

, (х,у) U,rect(

Й.

где k 1,...,N;

i 1,2,...,N.

Если предположить линейность устройства, спектр сигнала для каждой зоны (k,i) на выходе ПИ 9 определяется выражением

HnH(fc,Vv,t) и, (Ч. ,Vv)hl H-0,, V,) .

-Н„аи(/,-. ,t)ri, (V,,),),

гле Г1„аЛ 1,, ,t)F((t) ,

10

5

2(

передаточная функция 8;

Нпи(-0, ,v) передаточная функция ПИ 9;

О (%,, лЦ) - спектр изображения диафрагмы 3;

h g зональная когерентная передаточная функция контролируемой поверхности 7 при наличии волновой абберации 1 ( f }, обусловленной погрешностью формы (f - фокусное расстояние контролируемой поверхности 7; Л - длина волны зондирующего оптического излучения),

V.i

Выражение для h (), , ,,) при наличии гтогреш шсти формы поверхности, приводящей к смещению изображения ди- афрлгмы 3 в плоскости Гаусса

вдоль оси X

на величину

k.i

и X

И

на величину ii у

имеет вид

V,i

(3)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности контроля асферических оптических поверхностей за счет выделения первой гармоники огибающей монохроматической световой волны, отраженной от поверхности, которая синусоидально промоду- лирована в фокальной плоскости контролируемой поверхности. Фаза огибающей волны определяется углом нормали к оптической поверхности. В устройстве, реализующем способ, плоская волна формируется при помощи источника 1 излучения, расширителя 2 монохроматического излучения и диафрагмы 3. Посредством зеркала 4 и призмы 5 световой пучок попадает на зону k, i контролируемой поверхности 7. Отраженная световая волна синусоидально модулируется в фокальной плоскости при помощи модулятора 8 анализатора изображения, ось вращения которого смещена относительно фокуса поверхности 7. Фаза огибающей оптического сигнала, несущая информацию об угле отклонения от нормали заданной поверхности, выделяется путем обработки электрического сигнала. 1 ил. сл

(-.f

- Л f х1

1 п; И

О при остальны.

( - Ий X ),

;, - , +

i 1,2,,..,N - номер контролиру- емого меридианального сечения.

Погрешность формы асферических поверхностей задается углом отклонения нормали к реальному профилю от

нормали к геометрически заданноьгу , При этом ду р О, Тогда для асферических поверхностей, меридша- нальные сечения которых описываются уравнениями Z(x,y), можно получить выражение, устанавливающее однозначную часть между axV и /иг а, 2

- 1 (4)

(ka-) tg 2arctR l/z (ka-| ,у j)+2

tg 2arctg- l/z (ka-|, у,))

Подставляя в (2) выражения для передаточных функций отдельных каскадов преобразования зондирующего оптического сигнала и выражение зональной когерентной передаточной функции контролируемой повесхности

.N

O. l V),

при наличии у нее погрешности формы, задаваемой величиной угла отклонения от нормали для каждой зоны i; ,и, вычисляя обратное преобразование Фурье от полученного спектра, получают выражение для сигнала на выходе ПИ 9 в виде

40

45

50

а

и„; (t)A B+ECOS v,t+(ka-f) L TX I

tg(2arctg l/z (ka-|,y,)+247 j tg 2arctg l/z (ka-|, у,)) i

где A 8a UoSMtfKC S(A)(,TH C;

B § SLnC4-- );

- n

T« , ,,,/2fia. . . E sinC4-;:;-)sinC(---); z II 1 X 1 X

V. bS),

(5)

Анализ (5) показывает, что информация о погрешности формы каждой содержится в фазе первой гармоники сигнала, снимаемого с ПИ 9,

Таким образом, для каждой зоны контролируемой поверхности фаза первой гармоники сигнала с ПИ 9 Ф . определяет величину отклонения от нормали и I/ , проведенной в центр контролируемой зоны.

Формула изобретения

Способ контроля асферических поверхностей, заключающийся в формировании плоской монохроматической волны оптического излучения, дискретном сканировании зоны меридиальных сечений асферической поверхности, преобразовании отраженного потока оптического излучения в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности конт10

Ф,, (ka - f)

роля, одновременно формируют опорный поток оптического излучения, синусоидально модулируют в фокальной плоскости асферической поверхности отраженный и опорный потоки оптического излучения, преобразуют модулированные потоки оптического излучения в основной и опорный электрические сигналы соответственно, определяют разность фаз первой гармоники основного электрического сигнала и опорного электрического сигнала Ф(, , вычисляют для каждой зоны (k,i) погрешность формы в виде угла отклонения от нормали к асферической поверхности Л. при помощи соотношения I

tgf 2arctp l/z (ka - |, у.)

15

tp(2arct l/z (ka -|; у. )j

- 1

де k 1,2,...,N i 1,2,...,N номер контролируемой зоны в меридианальном сечении поверхности;

номер контролируемого мериди- анального сечения поверхности

-1;

- 1

5

D а 0

z(x,y) апертура контролируемой поверхности;

апертура основной плоской волны оптического излучения;

уравнения кривых меридианальных сечений контролируемой поверхности.