Оптическая угловая шкала и система контроля погрешности ее изготовления

 

Настоящее техническое решение относится к приборостроению, а именно к измерительной технике и, может быть использовано в метрологии, в измерительных системах и системах управления различными объектами и для производственного контроля качества изготовления угловых структур, например, оптических шкал, угловых растров, лимбов, многоразрядных кодовых дисков, растров. В предлагаемую оптическую угловую шкалу, при ее изготовлении дополнительно наносится оптическая контрольная зона, выполненная в виде дифракционной решетки. Это позволяет проводить контроль угловых структур оптических угловых шкал непосредственно после их изготовления и при обнаружении больших погрешностей, оперативно вносить коррекцию в процесс изготовления. Это позволит существенно повысить точность изготовления угловых структур типа шкал, лимбов, растров при одновременном снижении их стоимости и времени изготовления. Предлагаемая система контроля погрешности изготовления оптической угловой шкалы позволяет контролировать погрешность изготовления угловых структур оптических угловых шкал с помощью обычных серийных интерферометров, не прибегая к использованию уникальных прецизионных углоизмерительных машин и гониометров. Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении точности производства оптических угловых шкал, а так же в обеспечении оперативного контроля точности изготовления оптических угловых шкал с погрешностью не более 0.1-0.5 угловых секунд без использования дорогостоящего оборудования, типа прецизионных углоизмерительных машин и лазерных гониометров. Формула полезной модели содержит 2 независимых пункта и 5 зависимых пунктов.

Настоящее техническое решение относится к приборостроению, а именно к измерительной технике и, может быть использовано в метрологии, в измерительных системах и системах управления различными объектами, для производственного контроля качества изготовления угловых структур, например, оптических шкал, угловых растров, лимбов, многоразрядных кодовых дисков, растров.

Известно техническое решение, используемое в оптическом кодирующем устройстве в виде оптической угловой шкалы, состоящей из подложки, выполненной из оптического материала, на одну из сторон которой нанесена зона содержащая угловую структуру (Патент США 6822220 «Optical pattern for an optical encoder», МПК G01D 5/26; G01D 5/347; Н01J 3/14, опубликован 23.11.2004 г.).

Недостатком представленного технического решения является невозможность оперативного контроля угловой точности изготовления непосредственно в производственном цикле изготовления оптических угловых шкал.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой оптической угловой шкале, является техническое решение, состоящее из оптической подложки, по крайней мере, на одной из сторон которой нанесена основная зона, содержащая оптическую угловую структуру (Патент США 8124928 «Optical encoder compressing two pattern arrays and several bell shaped light guides», МПК G01D 5/34, опубликован 28.02.2012 г.).

Недостатком данного технического решения является невозможность оперативного контроля угловой точности изготовления непосредственно в производственном цикле изготовления оптических угловых шкал, особенно если допустимая погрешность изготовления не должна превышать долей угловых секунд. Для проведения измерений с такой точностью необходимо использовать уникальные прецизионные углоизмерительные машины и гониометры, которые имеются только в национальных метрологических центрах и крупных предприятиях. Невозможность проводить контроль угловых структур, непосредственно после их изготовления, не позволяет оперативно вносить коррекцию в процесс изготовления. Это не дает возможность увеличить точность изготовления угловых структур типа шкал, лимбов, растров, а также увеличивает их стоимость и время изготовления.

Известно техническое решение, используемое в устройстве для контроля погрешности изготовления оптических изделий, состоящее из лазерного интерферометра, выполненного по схеме Физо, а также плоского оптического эталона и исследуемого образца, например угловой оптической шкалы, установленных параллельно друг другу (Д. Малакара. Оптический производственный контроль. М.: Машиностроение 1985 - 400 с.).

Недостатком данного технического решения является невозможность контроля точности изготовления угловых оптических шкал.

Известно техническое решение, используемое в устройстве содержащее интерферометр, выполненный по схеме Физо и плоскую эталонную пластину, контролируемую деталь (Патент РФ 2432546. «Интерферометр для контроля формы оптических деталей», МПК G01B 9/02, опубликован 27.10.2011.), выбранное в качестве прототипа.

Недостатком данного технического решения является невозможность контроля точности изготовления угловых оптических шкал.

Перед авторами ставилась задача разработать оптическую угловую шкалу и систему контроля погрешности ее изготовления, позволяющую проводить оперативный контроль качества изготовления оптических угловых шкал.

Поставленная задача, решается тем, что оптическая угловая шкала, состоящая из оптической подложки, по крайней мере, на одной из сторон которой нанесена основная зона, содержащая оптическую угловую структуру, дополнительно содержит, по крайней мере, одну оптическую контрольную зону, выполненную в одном технологическом цикле с основной зоной и нанесенную на той же стороне подложки, что и основная зона, причем оптическая контрольная зона выполнена в виде дифракционной решетки, причем дифракционная решетка может быть выполнена линейной, с периодом Т между штрихами

Tm/Wmin,

где m - порядок дифракции решетки, - погрешность изготовления оптической контрольной зоны, - длина волны света, Wmin - минимально обнаруживаемая величина погрешности волнового фронта дифрагированного на решетке, выраженная в длинах волн света, причем оптическая контрольная зона может быть выполнена в виде наложения под прямым углом двух линейных решеток.

Система контроля погрешности изготовления оптической угловой шкалы содержит плоскую эталонную пластину, контролируемую оптическую деталь и интерферометр, выполненный по схеме Физо, регистрирующим карту разности фаз P(x,y) между плоской эталонной пластиной и контролируемой оптической деталью, причем контролируемая оптическая деталь выполнена в виде оптической угловой шкалы, содержащей оптическую контрольную зону, выполненную в виде дифракционной решетки, и установленную последовательно с плоской эталонной пластиной таким образом, что угол 1 наклона оптической контрольной зоны к плоской эталонной пластине в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки определяется по формуле:

sin(1)=m/2T,

где T - период штрихов дифракционной решетки, m - целое число, порядок дифракции решетки, - длина волны света, далее карта разности фаз P(x,y) выполнена регистрируемой по формуле:

P(x,y)=P1 (x,y)-P0(x,y),

где P1(x,y) - карта разности фаз при угле 1. Р0(x,y) - карта разности фаз при m=0, причем карта разности фаз P(x,y) выполнена определяющей погрешность изготовления оптической контрольной зоны оптической угловой шкалы по формуле:

=P(x,y)T/m,

где P(x,y) - карта разности фаз между поверхностью плоской эталонной пластины и оптической контрольной зоной оптической угловой шкалы, выраженная в длинах волн, x, y - координаты в оптической контрольной зоне, T -период штрихов решетки.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении точности производства оптических угловых шкал, а так же в обеспечении оперативного контроля точности изготовления оптических угловых шкал с погрешностью не более 0.1-0.5 угловых секунд без использования дорогостоящего оборудования, типа прецизионных углоизмерительных машин и лазерных гониометров.

На фиг.1 представлена оптическая угловая шкала, где 1 - оптическая подложка, 2 - основная зона, 3 - оптическая угловая структура, 4 - оптическая контрольная зона.

На фиг.2 представлен вариант выполнения оптической угловой шкалы, где 1 - оптическая подложка, 2 - основная зона, 3 - оптическая угловая структура, 4 -оптические контрольные зоны.

На фиг.3 представлена оптическая угловая шкала, в которой оптическая контрольная зона выполнена в виде линейной дифракционной решетки, где 1 - оптическая подложка, 2 - основная зона, 3 - оптическая угловая структура, 4 -оптическая контрольная зона, 5 - штрихи линейной дифракционной решетки.

На фиг.4 представлен пример искажения штрихов дифракционной решетки при наличии погрешностей изготовления.

На фиг.5 представлена оптическая угловая шкала, в которой оптическая контрольная структура выполнена в виде двух скрещенных линейных дифракционных решеток, где 1 - оптическая подложка, 2 - основная зона, 3 - оптическая угловая структура, 4 - оптическая контрольная зона, 6 - штрихи двух скрещенных линейных дифракционных решеток.

На фиг.6 представлена схема, поясняющая принцип работы системы контроля погрешности изготовления оптической угловой шкалы, где 1 - оптическая подложка, 3 - оптическая угловая структура, 4 - оптическая контрольная зона, 7 - интерферометр, выполненный по схеме Физо, 8 - плоская эталонная пластина, 9 - выходная поверхность, 10 - плоский волновой фронт оптического излучения, 11 - отраженное оптическое излучение, 12, 13 - дифракционные порядки.

На фиг.7 представлен пример карты разности фаз P(x,y) от оптической контрольной зоны, выполненной в виде линейной дифракционной решетки, где 14 - траектория (кольцо) сканирования разности фаз P(x,y) на радиусе г.

На фиг.8 представлена развертка распределения величины разности фаз вдоль траектории (кольца) сканирования разности фаз P(x,y) 14 по углу от 0 до 360 град..

Предлагаемая оптическая угловая шкала работает следующим образом. На одной из сторон оптической подложки 1 нанесена основная зона 2, содержащая оптическую угловую структуру 3, например, круговую оптическую шкалу (лимб) выполненную, например, в виде радиальных непрозрачных штрихов с использованием хромового маскирующего покрытия (фиг.1). На этой же стороне оптической подложки дополнительно нанесена оптическая контрольная зона 4. Оптическая контрольная зона 4 выполнена в одном технологическом цикле с основной зоной 2, например, с помощью лазерного генератора изображений CLWS-300 методом кругового растрового сканирования (Абрамов Ю.Ф., Кирьянов В.П., Кирьянов А.В. и др. Модернизация оптического делительного производства уральского оптико-механического завода на основе современных лазерно-компьютерных и фотолитографических технологий // Оптический журнал. 2006. Т.73. 8. С.61-65).

Оптическая контрольная зона 4 преимущественно располагается вне основной зоны 2, на свободных участках оптической подложки 1. На оптической подложке 1 может быть расположено одна, две и более оптических контрольных зон 4 (фиг.2). Например, если основная зона 2 имеет вид кольца, то оптические контрольные зоны 4, выполненные также в виде колец, располагаются ближе и/или дальше от центра оптической подложки 1. Оптические контрольные зоны 4 могут перекрываться с основной зоной 2, если это технологически допустимо. Так как оптическая контрольная зона 4 выполняется в одном технологическом цикле изготовления (и тем же способом изготовления) с основной зоной 2, то все систематические погрешности изготовления будут в одинаковой степени влиять на точность выполнения оптических угловых структур 3 во всех зонах.

В процессе изготовлении оптической угловой структуры 3 методом кругового растрового сканирования возможны следующие основные виды систематических погрешностей: погрешность совмещения записывающего лазерного пучка с центром вращения оптической подложки, погрешность траектории вращения шпинделя (радиальные биения), погрешность определения текущего значения угла поворота шпинделя и т.д. (Кирьянов А. В., Кирьянов В. П. Улучшение метрологических характеристик лазерных генераторов изображений с круговым сканированием //Автометрия. - 2010. - Т. 46, N5.-0. 77-93).

Оптическая контрольная зона 4 может быть выполнена в виде штрихов линейной дифракционной решетки 5, с периодом штрихов Т, как показано на фиг.3. Систематические погрешности изготовления приводят к искажениям формы штрихов линейной дифракционной решетки 5. В качестве примера на фиг.4 показан участок линейной дифракционной решетки 5 с периодом штрихов T=3 мкм и погрешностью d=1 мкм совмещения записывающего лазерного пучка с центром вращения оптической подложки 1. Видно, что форма штрихов линейной дифракционной решетки 5 исказилась. Величина этого искажения регистрируется интерферометрическим методом. Если погрешность изготовления отсутствуют, то штрихи линейной дифракционной решетки 5 имеют вид прямых линий. При освещении такой дифракционной решетки (по нормали к поверхности) плоским волновым фронтом оптического излучения 10, образуются дифракционные порядки, с углом а отклонения:

где m=0, ±1, ±2, ±3 - порядок дифракции, - длина волны света, T - период штрихов дифракционной решетки.

Дифрагированный волновой фронт также будет плоским, т.е. искажения будут отсутствовать. Если штрихи линейной дифракционной решетки 5 искажены, например, на величину , как показано на фиг.4, то форма волнового фронта также будет искажена на величину:

где W1 - погрешность плоского волнового фронта оптического излучения дифрагированного на решетке, выраженная в длинах волн света (А Г.Полещук, В.П.Корольков, В.В.Черкашин, Дж.Бедж, С.Райхельт. Методы изготовления высокоточных дифракционных элементов на лазерных записывающих системах с круговым сканированием // Автометрия. - 2002. - т.38, N 3. - С.3-19), m=0, ±1, ±2, ±3 - порядок дифракции, - длина волны света, Т - период штрихов линейной дифракционной решетки, - погрешности изготовления оптической контрольной зоны.

Локальная ошибка искажения штрихов линейной дифракционной решетки 5 (погрешности изготовления оптической контрольной зоны) в направлении перпендикулярном границам штрихов, определяется усреднением положения внутренней и внешней границ оптической контрольной зоны (in и out):

где, in - внутренняя граница оптической контрольной зоны out - внешняя граница оптической контрольной зоны.

Искажения формы плоского волнового фронта оптического излучения 10 регистрируются интерферометром, выполненным по схеме Физо 7. Если минимально обнаруживаемая интерферометром, выполненным по схеме Физо 7 величина погрешности изготовления оптической контрольной зоны 4 (порог регистрации) плоского волнового фронта оптического излучения 10 равен Wmin, то период штрихов Т линейной дифракционной решетки 5 и определяется формулой:

где, Wmin - погрешность плоского волнового фронта оптического излучения, m=0, ±1, ±2, ±3 - порядок дифракции, - длина волны света, - погрешности изготовления оптической контрольной зоны.

Например, если Wmin=0.01, m=1, =0.1 мкм, =0.633 мкм, то T10 мкм.

Возможен вариант выполнения оптической контрольной зоны 4 в виде наложения под прямым углом двух линейных решеток, где на фиг.5 показаны штрихи двух скрещенных линейных дифракционных решеток 6. В этом случае образуется несколько групп дифракционных порядков, выбор которых позволяет более точно измерить погрешность плоского волнового фронта оптического излучения 10 дифрагированного на оптической контрольной зоне 4.

Предлагаемая система контроля погрешности изготовления оптических угловых шкал (фиг.6) состоит из интерферометра 7 выполненного по схеме Физо и плоской эталонной пластины 8. Оптическая подложка 1 с контролируемой оптической угловой шкалой оптически связана с интерферометром 7, выполненным по схеме Физо. Оптическая подложка устанавливается последовательно с плоской эталонной пластиной 8 таким образом, что угол 1 между выходной поверхностью 9 плоской эталонной пластины 8 и поверхностью оптической контрольной зоны 4 был равен:

где Т - период штрихов дифракционной решетки, m - целое число, порядок дифракции решетки, - длина волны света Угол 1 лежит в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки оптической контрольной зоны 4 и отсчитывается от нормали к плоскости оптической контрольной зоны 4.

Плоский волновой фронт оптического излучения 10 с выхода интерферометра 7, выполненного по схеме Физо, проходит плоскую эталонную пластину 8 и частично отражается от выходной поверхности 9. Выходная поверхность 9 имеет высокую степень плоскостности (искажение формы отраженного волнового фронта обычно менее 0.01). Отраженное оптическое излучение 11 направляется обратно в интерферометр 7, выполненный по схеме Физо, и образует опорный волновой фронт. Прошедшее плоскую эталонную пластину 8 оптическое излучение поступает к оптической контрольной зоне 4 выполненной в виде дифракционной решетки и разлагается на несколько дифракционных порядков 12, 13 (фиг.6). Так как поверхность оптической контрольной структуры 4 установлена под автоколлимационным углом 81 к падающему на нее оптическому излучению, то дифракционный порядок 12 направляется точно назад, образую измерительный волновой фронт оптического излучения. Он проходит плоскую эталонную пластину 8 и поступает в интерферометр 7, выполненный по схеме Физо, где интерферирует с опорным волновым фронтом.

Интерферометр 7 выполненный по схеме Физо, вычисляет карту разности фаз P(x,y) между поверхностью плоской эталонной пластины 8 и оптической контрольной зоной 4 оптической угловой шкалы, выполненной в виде дифракционной решетки:

где W0(x,y) - распределение фаз волнового фронта С отраженного от выходной поверхности 9 (опорный волновой фронт), WA(x,y) - распределение фаз волнового фронта в дифракционном порядке 12 (измерительный волновой фронт).

Карта разности фаз P(x,y) может быть представлена как в длинах волнах, так и в градусах или радианах. Карта разности фаз P(x,у) является аналогом карты оптической разности хода (или пути), если она измеряется в длинах волн.

Для устранения влияния неплоскостности поверхности оптической подложки 1 на результаты измерения, карта разности фаз P(x,y) системы контроля погрешности изготовления оптической угловой шкалы, выполнена регистрируемой по формуле:

где P1(x,y) - карта разности фаз при угле 1, P0(x,y) - карта разности фаз при m=0 (нулевой порядок дифракции).

Для увеличения точности измерения карты разности фаз P(x,y), проводят измерения под углом наклона 1, по крайней мере, в двух плоскостях перпендикулярных штрихам двух линейных решеток. В этом случае регистрируется две или более карты разности фаз P(x,y) с использование +m и -m порядков дифракции, а результат усредняется.

Из зарегистрированной карты разности фаз P(x,y) погрешность изготовления оптической контрольной зоны 4 оптической угловой шкалы определяется по формуле:

где P(x,y) - карта разности фаз между поверхностью плоской эталонной пластины 8 и оптической контрольной зоной 4 оптической угловой шкалы, выраженная в длинах волн, x, y - координаты в оптической контрольной зоне, T -период штрихов решетки, m - целое число, порядок дифракции решетки, -длина волны света.

На фиг.7 приведен пример карты разности фаз P(x,y) (карта волнового фронта) от оптической контрольной зоны 4 выполненной в виде линейной дифракционной решетки. Дифракционная решетка выполнена на оптической подложке 1 из ситала с плоскостностью не хуже 1/20 длины волны. Период дифракционной решетки 6 мкм, угол наклона 3°, m=1, =632.8 нм, диаметр 50 мм. Оттенками серого (или цвета в оригинале) отображается величина разности фаз. Карта разности фаз (500×500 точек) получена с помощью интерферометра 7 выполненного по схеме Физо типа ФТИ-100 (www.diffraction.ru). На рис.8 показана развертка распределения величины фазового сдвига вдоль траектории (кольца) 14 сканирования разности фаз P(x,y) на радиусе r1=20 мм внутри контрольной зоны.

Оценим потенциальную точность интерферометрического метода. Так как угловая погрешность изготовления оптической угловой шкалы связана с линейной погрешностью соотношением:

где - погрешность изготовления оптической контрольной зоны оптической угловой шкалы, r - радиус внутри оптической контрольной зоны.

То, используя зарегистрированную карту разности фаз P(x,y) (8) и представленную на фиг.7, можно получить значения угловой погрешности изготовления в виде формулы:

где, P(x,y) - карта разности фаз между поверхностью плоской эталонной пластины 8 и оптической контрольной зоной 4 оптической угловой шкалы, выраженная в длинах волн, Т - период штрихов решетки, m - целое число, порядок дифракции решетки, - длина волны света, r - радиус внутри оптической контрольной зоны.

Так как радиусы r1 оптической контрольной зоны 4 и радиус r2 основной зоны 2, содержащей оптическую угловую структуру 3 отличаются, значение угловой погрешности в области основной зоны 2 корректируется с помощью коэффициента пропорциональности:

где, r1 - радиус оптической контрольной зоны, r2, - радиус основной зоны.

Из выражения (10) следует, что при m=5, R=50 мм, T=2 мкм, =0.6328 мкм, P1(r,)=0.01, измеренная угловая погрешность составляет =1.2·10-7 рад или примерно 0.03 угловых секунды.

Таким образом, предлагаемая система позволяет контролировать погрешность изготовления угловых структур оптических угловых шкал с помощью обычных серийных интерферометров с погрешностью, например, 0.03 угловых секунды, не прибегая к использованию уникальных прецизионных углоизмерительных машин и гониометров. Это позволяет проводить контроль угловых структур оптических угловых шкал непосредственно после их изготовления и при обнаружении больших погрешностей, оперативно вносить коррекцию в процесс изготовления. Это позволит существенно повысить точность изготовления угловых структур типа шкал, лимбов, растров при одновременном снижении их стоимости и времени изготовления, так как отпадет необходимость в использовании дорогостоящего уникального углоизмерительного оборудования типа АС700 (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2011/002.pdf.

1. Оптическая угловая шкала, состоящая из оптической подложки, по крайней мере, на одной из сторон которой нанесена основная зона, содержащая оптическую угловую структуру, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по крайней мере, одну оптическую контрольную зону, выполненную в одном технологическом цикле с основной зоной и нанесенную на той же стороне подложки, что и основная зона.

2. Оптическая угловая шкала по п.1, отличающаяся тем, что оптическая контрольная зона выполнена в виде дифракционной решетки.

3. Оптическая угловая шкала по п.2, отличающаяся тем, что дифракционная решетка выполнена линейной, с периодом Т между штрихами

Tm/Wmin,

где m - порядок дифракции решетки, - погрешность изготовления оптической контрольной зоны, - длина волны света, Wmin - минимально обнаруживаемая величина погрешности волнового фронта дифрагированного на решетке, выраженная в длинах волн света.

4. Оптическая угловая шкала по п.2 отличающаяся тем, что оптическая контрольная зона выполнена в виде наложения под прямым углом двух линейных решеток.

5. Система контроля погрешности изготовления оптической угловой шкалы, содержащая плоскую эталонную пластину, контролируемую оптическую деталь и интерферометр, выполненный по схеме Физо, регистрирующим карту разности фаз Р(x,y) между плоской эталонной пластиной и контролируемой оптической деталью, отличающаяся тем, что контролируемая оптическая деталь выполнена в виде оптической угловой шкалы, содержащей оптическую контрольную зону, выполненную в виде дифракционной решетки, и установленную последовательно с плоской эталонной пластиной таким образом, что угол 1 наклона оптической контрольной зоны к плоской эталонной пластине в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки определяется по формуле

sin(1)=m/2T,

где Т - период штрихов дифракционной решетки, m - целое число, порядок дифракции решетки, - длина волны света.

6. Система контроля по п.5, отличающаяся тем, что карта разности фаз Р(x,y) выполнена регистрируемой по формуле:

P(x,y)=P1(x,y)-P0(x,y),

где P1(x,y) - карта разности фаз при угле 1, P0(x,y) - карта разности фаз при m=0.

7. Система контроля по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что карта разности фаз Р(x,y) выполнена определяющей погрешность изготовления оптической контрольной зоны оптической угловой шкалы по формуле

=Р(x,y)Т/m,

где Р(x,y) - карта разности фаз между поверхностью плоской эталонной пластины и оптической контрольной зоной оптической угловой шкалы, выраженная в длинах волн, x, y - координаты в оптической контрольной зоне, Т - период штрихов решетки.



 

Похожие патенты:

Устройство интерферометрического измерительного прибора относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении при разработке оборудования для измерения длины когерентности непрерывного лазерного излучения.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при разработке и серийном выпуске газоразрядных лазеров
Наверх