Интерферометр для контроля формы оптических поверхностей

Настоящее техническое решение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерферометрии и может быть использовано для контроля формы поверхности различных оптических деталей. Применение светоделителя, выполненого в виде оптического клина в котором отсутствует склейка, позволяет использовать его в широком спектральном диапазоне, от УФ до ПК. Технический эффект заявляемого технического решения заключается в упрощении конструкции, уменьшении стоимости, расширении функциональных возможностей интерферометра. Формула полезной модели содержит 1 независимый пункт и 2 зависимых пункта.

Настоящее техническое решение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерферометрии и может быть использовано для контроля формы поверхности различных оптических деталей.

Известен интерферометр Физо для контроля формы оптических поверхностей (D. Malacara. Optical Shop Testing. Second Edition. Johh Wiley and Sons, Inc, NY. 1992. стр. 28-29) состоящий из лазера, светоделителя, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали и видеокамеры.

Также известен интерферометр (Патент США 6992779 B2 «Interferometer apparatus for both low and high coherence measurement and method thereof», (G01B 9/02, опубл. 31 января 2006 г.), состоящий из состоящий из источника оптического излучения, светоделителя, выполнено в виде призмы-куба, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой поверхности оптической детали и видеокамеры.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является интерферометр для контроля формы оптических поверхностей (далее интерферометр), состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, светоделителя, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой поверхности оптической детали, диафрагмы и установленной за ней видеокамеры (Патент РФ 2432546, «Интерферометр для контроля формы оптических деталей», опубл. 27 октября 2011 г.).

Общим недостатком приведенных выше интерферометров является сложность и высокая стоимость конструкции, обусловленная необходимостью применения светоделителя выполненного в виде призмы-куба с достаточно большим световым диаметром и высоким качеством изготовления сторон и склейки. Использование призмы-куба увеличивает стоимость интерферометра.

Кроме того, известные интерферометры имеют ограниченные функциональные возможности, так как применение светоделителя, выполненного в виде призмы-куба со склейкой гипотенузных граней ограничивает его использование в ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК) диапазонах, а также в многоспектральных схемах.

Перед авторами ставилась задача разработать интерферометр для контроля формы оптических поверхностей, позволяющий упростить и удешевить конструкцию интерферометра.

Поставленная задача, решается тем, что интерферометр для контроля формы оптических поверхностей, состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, светоделителя, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой поверхности оптической детали, диафрагмы и установленной за ней видеокамеры, а светоделитель выполнен в виде оптического клина, с нанесенным на одну из сторон полупрозрачным покрытием, причем расстояние 2 между диафрагмой и светоделителем определяется выражением

z=kd[sin(A)cos ²(A)]/2B[n²-sin²(A)],

где к=0.9-1.1 постоянный коэффициент, d - толщина светоделителя в центре, A - угол наклона светоделителя, B - угол клина, n - коэффициент преломления материала светоделителя, причем полупрозрачное покрытие нанесено на сторону оптического клина обращенного к коллимирующему объективу, далее угол наклона светоделителя менее 45 градусов.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в упрощении конструкции, уменьшении стоимости, расширении функциональных возможностей интерферометра.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена оптическая схема заявляемого интерферометра для контроля формы оптических поверхностей, где 1 - точечный источник света, 2 - светоделитель, 3 - полупрозрачное покрытие, 4 - коллимирующий объектив, 5 - эталонная пластина, 6 - контролируемая деталь, 7 - диафрагма, 8 - видеокамера.

На фиг. 2 представлены графики зависимостей ошибок волнового фронта от угла наклона светоделителя, где 9 - график, полученный расчетным путем, 10 - график, полученный расчетным путем для светоделителя без клина, 11 - график полученный экспериментально, 12 - диапазон изменении наклона светоделителя, при котором ошибка волнового фронта минимальна (заштрихованная область).

Заявляемый интерферометр для контроля формы оптических поверхностей (Фиг. 1) работает следующим образом. Оптическое излучение от точечного источника света 1 (например, одночастотного He-Ne лазера, снабженного короткофокусным микрообъективом и микродиафрагмой) направляется к светоделителю 2. На поверхность светоделителя 2 нанесено полупрозрачное покрытие 3. Полупрозрачное покрытие 3 нанесено на сторону оптического клина обращенного к коллимирующему объективу 4. Оптическое излучение отражается от полупрозрачного покрытия 3 и направляется к коллимирующему объективу 4, проходит через эталонную пластину 5 (например, прецизионную кварцевую пластину) и освещает поверхность контролируемой детали 6. Плоскость эталонной пластины 5 (поверхность С) и контролируемой детали 6 установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности (поверхность С на Фиг. 1) эталонной пластины 5 (опорный световой пучок) и контролируемой детали 6 (измерительный световой пучок), снова проходит коллимирующий объектив 4, полупрозрачное покрытие 3, светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 7. При правильной настройке интерферометра оптическое излучение, отраженное от эталонной пластины 5 и контролируемой детали 6, проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 7 к видеокамере 8. На фоточувствительной поверхности видеокамеры 8 формируется интерференционная картина, которая несет информацию о деформации контролируемой делали 6.

Измерительный и опорные пучки проходят светоделитель 2 который расположен в сходящемся пучке лучей. Для уменьшения аберраций светоделитель 2 выполнен в виде оптического клина, причем расстояние 2 между диафрагмой 7 и светоделителем 2 определяется выражением

где к=0.9-1.1 постоянный коэффициент, d - толщина светоделителя в центре, A - угол наклона светоделителя, B - угол клина светоделителя, n - коэффициент преломления материала светоделителя.

Например, при A=25°, B=40, d=5 mm, n=1.46 расстояние между диафрагмой и светоделителем z=38.2 mm.

Угол наклона светоделителя 2 выбирается менее A=45°, например в диапазоне A=10-30°. При уменьшении величины угла наклона вносимые светоделителем 2 аберрации уменьшаются. Однако уменьшении величины угла наклона менее A=10° технически затруднительно.

На фиг.2 в качестве примера представлены графики зависимостей ошибок волнового фронта измерительного и опорного пучков (среднеквадратичное значение (СКО)) от угла наклона светоделителя 2. График 9 показывает зависимость ошибок волнового фронта измерительного и опорного пучков от угла наклона светоделителя 2, полученный расчетным путем (метод трассирования лучей, программа 2етах) при A=0-45°, B=40', d=5 mm, z=38.5 mm, n=1.46 и числовой апертуре коллимирующего объектива NA=0.08. При расчетном угле наклона светоделителя 2 в 25° минимум аберраций находится между углами наклона в диапазоне от 22.5° до 25° (область 12 на фиг. 2) В выражении (1) этот диапазон задается постоянным коэффициентом к=0.9-1.1.

Для сравнения, график 10 показывает зависимость ошибок волнового фронта измерительного и опорного пучков от угла наклона светоделителя 2 в случае, если светоделитель 2 не имеет клина, а выполнен в виде плоскопараллельной пластинки. Видно, что аберрации быстро растут.

На фиг. 2 в качестве примера показан график зависимости ошибок волнового фронта измерительного и опорного пучков от угла наклона светоделителя 2, полученный экспериментальным путем 11. Экспериментально исследовались аберрации светоделителя 2 изготовленного из плавленого кварца с n=1.46, B=40', d=5 mm при его наклоне от 0 до 25°. Длина волны света Х=633 нм. Числовая апертура коллимирующего объектива NA=0.07. Полученные экспериментальные данные подтверждают, что минимум аберраций (0.05,, СКО) находится вблизи расчетного угла наклона светоделителя 2, равного 25°.

Таким образом, предлагаемый интерферометр обеспечивает упрощение и удешевление конструкции интерферометра за счет применения светоделителя, выполненного в виде одного элемента - оптического клина. При предложенном светоделителе отсутствует склейка, что позволяет использовать его в широком спектральном диапазоне, от УФ до ИК, что расширяет его функциональные возможности.

1. Интерферометр для контроля формы оптических поверхностей, состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, светоделителя, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой поверхности оптической детали, диафрагмы и установленной за ней видеокамеры, отличающийся тем, что светоделитель выполнен в виде оптического клина с нанесенным на одну из сторон полупрозрачным покрытием, причем расстояние z между диафрагмой и светоделителем определяется выражением

z=kd[sin(A)cos ²(A)]/2B[n²-sin²(A)],

где k=0,9-1,1 постоянный коэффициент, d - толщина светоделителя в центре, А - угол наклона светоделителя, В - угол клина, n - коэффициент преломления материала светоделителя.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что полупрозрачное покрытие нанесено на сторону оптического клина, обращенного к коллимирующему объективу.

3. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что угол наклона светоделителя менее 45º.