Интерферометр для контроля качества оптических поверхностей и систем Советский патент 1992 года по МПК G04B9/02 G01B11/24 

1

(21)4781349/28

(22)10.01.90

(46) 30.09.92. Бюл. № 36

(71)Ленинградский институт точной механики и оптики

(72)В.К.Кирилловский, С.С.Гвоздев, И.Р.Петрученко и Т.В.Прохоренко

(56)Иванова Т.Д., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, 1984, с. 193-195.

(54) ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СИСТЕМ

(57)Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для исследования и контроля качества изготовления поверхностей оптических деталей и аберраций оптических систем, особенно крупногабаритных. Целью изобретения является повышение производительности и достоверности контроля. Гомоцентрический пучок лучей от источника 9 заполняет зрачок контролируемого объекта 17 и изображается на экране 10 и фотоэлектрической мембране 11. Затем осуществляется настройка интерферометра до совпадения точечного источника 9 с центром мембраны 11. После этого включается источник 1 когерентного излучения, от которого формируется 2 волны - опорная и объектного отражения от контролируемой поверхности, при совмещении которых создается интерференционная картина, наблюдаемая с использованием линзы Бертрана. 3 ил.

17

/1

Фиг./

со

С

vi

Os СЛ 00 О СО

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для исследования и контроля качества изготовления поверхностей оптических деталей и аберраций оптических систем, особенно крупногабаритных.

Известен неравноплечий лазерный интерферометр, содержащий установленный на основании источник когерентного излучения, микрообъектив, светоделительный кубик, делящий поток на две ветви, в одной из которых установлена образцовая деталь, а вторая направлена в сторону контролируемой детали. При использовании устройства по такой схеме в ходе контроля, например, вогнутого сферического зеркала, при настройке автоколлимационной схемы контроля совмещение автоколлимационного блика от контролируемого зеркала с бликом от эталонного зеркала выполняется при помощи матового экрана, т.к. избыток светового потока в данной схеме позволяет получить от непокрытой оптической поверхности достаточно яркий блик, легко обнаруживаемый в затемненном цехе с помощью матового экрана.

Недостатком данного устройства является сложность обнаружения блика при контроле в цеховых условиях оптической системы, составленных из нескольких непокрытых поверхностей, так как в этом случае отраженный световой поток составляет 0,04п от падающего светового потока, где п - число непокрытых оптических поверхностей, составляющих системы. Сложность обнаружения автоколлимационного блика в этих условиях приводит к снижению производительности и достоверности контроля, так как при каждом сеансе контроля после повторной установки контролируемой детали в схему требуется значительное время для повторной юстировки схемы в условиях полностью затемненного помещения.

Наиболее близким к изобретению и выбранным авторами в качестве прототипа является интерферометр с дифрагированной эталонной волной, содержащий основание, установленный на основании источник когерентного излучения и размещенные по ходу излучения расширитель, фокусирующий объектив, плоское зеркало, выполненное с точечным отверстием и установленное под углом к оптической оси, осветительное зеркало, расположенное так, что центр его кривизны совпадает с отверстием плоского зеркала, объектив, линзу Бертрана, окуляр и механизмы подвижек основания с ручными приводами. Рабочий пучок образуется путем дифракции лазерного пучка, сфокусированного на точечном отверстии диаметром 0,5-2 длины волны источника излучения.

Недостатком указанного интерферометра является то, что в процессе настрой5 ки автоколлимационной схемы контроля при использовании лазера умеренной мощности, а также при контроле высоко- апертурных деталей и систем яркость автоколлимационного блика недостаточна для

0 его уверенного обнаружения в цеховых условиях. Указанный недостаток также приводит к снижению производительности и достоверности контроля.

Целью изобретения является повыше5 ние производительности и достоверности контроля.

Это достигается тем, что известный интерферометр, содержащий основание, уста- новленный на основании источник

0 когерентного излучения и размещенные по ходу излучения расширитель, фокусирующий объектив, плоское зеркало, выполненное с точечным отверстием и установленное под углом к оптической оси, осветительное

5 зеркало, расположенное так, что центр его кривизны совпадает с отверстием плоского зеркала, объектив, линзу Бертрана, окуляр и механизм подвижек основания снабжен точечным источником света и экраном с пере0 крестием, размещенным в плоскости, проходящей через точечное отверстие перпендикулярно оптической оси так, что их центры расположены симметрично относительно оси, фотоэлектрической матрицы, ус5 тановленной так, что ее центр совмещен с центром экрана, и блоком управления, вход которого электрически связан с выходом фотоэлектрической матрицы, а выход с механизмами подвижек.

0 Предлагаемое снабжение интерферометра точечным источником света и экраном с перекрестием, размещенным в плоскости, проходящей через точечное отверстие перпендикулярно оптической оси

5 так, что их центры расположены симметрично относительно оси, придает заявляемому интерферометру новые свойства, заключающиеся в том, что появляется возможность настраивать автоколлимационную схему

0 контроля, располагая достаточно ярким автоколлимационным бликом от применяемого точечного источника света, не искаженного элементами схемы интерферометра, и наблюдаемого на экране с перекре5 стием без дополнительных котировочных приспособлений, повышая таким образом производительность контроля и его достоверность. Появляется возможность оперативно проверить настройку интерферометра во время контроля, что повышает надежность настройки. К тому же, регулируя световой точечного источника и повышая его яркость, можно оптимизировать условия юстировки, Кроме того, создается возможность осуществить уверенную на- стройку автоколлимационного плеча интерферометра в случае контроля оптических систем, состоящих из ряда непокрытых поверхностей (обычно двух) в цеховых условиях, Снабжение интерферометра фото- электрической матрицей, установленной так, что ее центр совмещен с центром экрана и блоком управления, вход которого электрически связан с выходом фотоэле -.- рической матрицы, а выход-с механизмами подвижек, обеспечивает возможность автоматизации настройки интерферометра за счет обработки сигнала, полученного на фотоэлектрической матрице при попадании на нее отраженного испытуемой системой в режиме автоколлимации изображения точечного источника света, блоком управления, который вырабатывает управляющие сигналы для приводов в зависимости от отклонения изображения точечного источни- ка света от центра матрицы, что ведет также к повышению производительности и достоверности контроля за счет ликвидации недетерминированных ручных операций, и кроме того, обеспечивает повышение про- изводительности при любой случайной разъюстировке схемы контроля.

На фиг, 1 изображена схема предполагаемого интерферометра в случае контроля поверхности; на фиг. 2 - оптическая схема интерферометра (сечение А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - схема предполагаемого интерферометра в случае применения его для контроля качества оптической системы.

Интерферометр содержит источник ко- герентного излучения 1, расширитель 2, фокусирующий объектив 3, плоское зеркало 4 с точечным отверстием, осветительное зеркало 5, центр кривизны которого совмещен с отверстием плоского зеркала, объектив 6, окуляр 7, между которыми может быть введена линза Бертрана 8. Точечный источник света 9 и экран с перекрестием 10 расположен в плоскости, перпендикулярной оптической оси интерферометра и проходящей через точечную диафрагму зеркала 4. В плоскости экрана введена фотоэлектрическая матрица 11, электрически связанная с блоком управления 12, выходы которого подключены к приводам 13, 14, 15 механизмов подвижек интерферометра, расположенных на основании 16.

Работает интерферометр следующим образом.

Контролируемая система 17, например, вогнутое зеркало, либо контролируемая оптическая система 18с плоским зеркалом 19, установленным за системой перпендикулярно оптической оси интерферометра, и интерферометр позиционируется. Включается точечный источник 9, гомоцентрический пучок лучей от которого заполняется зрачок контролируемой системы 17 либо 18 и изображается ею на экране 10 и на фотоэлектрической матрице 11.

Настройка интерферометра осуществляется в ручном варианте приведением изображения точечного источника 9 в центре экрана 10 манипулированием подвижками интерферометра в автоматическом варианте при несовпадении изображения точечного источника 9 с центром матрицы 11 сигнал рассогласования с блока управления поступает на один из приводов 13, 14 или 15 механизмов подвижек, которые отрабатывают заданную величину подвижки, затем вновь оценивается несовпадение изображения точечного источника 9 с центром матрицы 11 и вновь при наличии несовпадения производится подвижка интерферометра, и так до момента окончательного совпадения изображения точечного источника 9 с центром матрицы 11.

Если при включении точечного источника 9 изображение его на экране 10 отсутствует, то манипулированием подвижек интерферометра 13, 14 или 15 в ручном варианте производится приведение изображения точечного источника 9 на экране 10с помощью, например, дополнительного матового экрана больших размеров, чем экран 10, установленного вблизи него.

Далее включается когерентный источник излучения 1, пучок лучей от которого, пройдя через расширитель 2, фокусируется объективом 3 на точечном отверстии плоского зеркала 4 в виде пятна рассеяния диаметром около 100 мкм. Точечное отверстие становится источником дифрагированной сферической волны, которая в автоколлимации от исследуемой сферической поверхности изображается в виде пятна рассеяния, перекрывающего точечное отверстие зеркала 4, отразившись от зеркала эта рабочая волна направляется в плечо наблюдения через объектив 6, окуляр 7,

Часть излучения источника, сфокусированного объективом 3 на точечное отверстие, но не прошедшее через него, отражается от зеркала 5 и фокусируется на отверстии зеркала 4 в направлении плеча наблюдения. При этом на отверстии фокусируется вторая дифрагированная волна, фронт которой используется в качестве

опорного. В результате сложения этой волны с рабочей возникает интерференция с совмещенных световых пучках, распространяющихся в направлении плеча наблюдения. Используется объектив 6 и окуляр 7 плеча наблюдения наблюдают освещенную точечную диафрагму и автоколлимационное изображение точки в центре кривизны контролируемой поверхности. Наблюдение интерференции в зрачке производится с использованием линзы Бертрана 8.

В конкретном случае выполнения в качестве источника когерентного излучения 1 использован лазер ЛГ79-2, расширитель 2 выполнен в виде телескопической системы, состоящей из расположенных по ходу луча отрицательного и положительного компонентов, фокусирующий объектив 3 имеет следующие параметры: Г 5,09 мм; ,2, плоское зеркало 4 имеет точечное отверстие 1-2 мкм. Объектив б имеет f -16,42 мм. В качестве окуляра 7 использована склеенная линза с f-40 мм. В качестве точечного источника 9 использована лампа накаливания МН6, 3-03 ГОСТ 2204-80, применена матрица 11 типа ФПЗС-1М. В качестве блока управления 12 использован блок, выполненный, например, на основе мини-ЭВМ Электроника-10, Приводы 13, 14, 15 выполнены в виде двигателя Д-219, а механизмы подвижек выполнены в виде винтовых пар. В случае контроля зеркала 170 1,5 м и м время настройки сокращалось с 3-5 часов до 30 минут. При этом отпадала необходимость в частом применении допол-

А

17

нительных средств для настройки, что повышало производительность настройки, при этом в любой момент настройки может быть проверена, таким образом, повышается достоверность настройки, что даст экономический эффект.

Формула изобретения Интерферометр для контроля качества оптических поверхностей и систем, содержащий основание, установленный на основании источник когерентного излучения и размещенные по ходу излучения расширитель, фокусирующий объектив, плоское зеркало, выполненное с точечным отверстием и установленное под углом к оптической оси, осветительное зеркало, расположенное так, что центр его кривизны совпадает с отверстием плоского зеркала, объектив, линзы Бертрана, окуляр и механизмы подвижек основания, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и достоверности контроля, он снабжен точечным источником света и экраном с перекрытием, размещенным в плоскости, проходящей через точечное отверстие перпендикулярно оптической оси так, что их центры расположены симметрично относительно оси, фотоэлектрической матрицей, установленной так, что ее центр совмещен с центром экрана, и блоком управления, вход которого электрически соединен с выходом фотоэлектрической матрицы, а выход - с механизмами подвижек.

Фиг. 2

О)