Теневой способ контроля оптических элементов

 

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 освещенностей 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,Я0„„1 ЗО51

А1 (5D 4

r ю 1

1 <

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 3652106/31-25 (22) 30. 09. 83 (46) 15. 08. 87. Бюл. М- 30 (7 1) Институт общей физики АН СССР (72) E.Â. Демидов и Е.С. Живописцев .(53) 535.24(088.8) (56) Патент Франции 8- --1578704, кл. G 01 J, 1966.

Авторское свидетельство СССР

Р 600499; кл, G 02 В 27/38, 1978. (54) ТЕНЕВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля оптических деталей в процессе их изготовления .и для аттестации оптических систем. Цель изобретения — повышение информативности и упрощение юстировки. Для этого конт ролируемый оптический элемент освещают через световое отверстие в теневой диафрагме, выполненной в. виде многогранной усеченной пирамиды с отражающими боковыми гранями и с прозрачными основанием и поверхностью 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 освещенностей в них векторное поле тангенциальных отклонений волнового фрон- Я та, сформированного при участии контролируемого элемента, и затем рассчитывают его топографическую карту, характеризующую качество контролируемого элемента. 4 ил.

1330519,. Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля оптических деталей в процессе их изготовления и для аттеста5 ции оптических систем, а также для исследования оптических неоднородностей прозрачных сред.

Цель изобретения — повышение информативности и упрощение юстировки. 10

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- 2р жит источник 1 света (ксеноновую лампу сверхвысокого давления), установленный на оптической оси 00 коллектора 2. Коллектор 2 формирует изображение источника света в плоскости 25 апертурной диафрагмы 3, совпадающей с передней фокальной плоскостью конденсатора 4 . За конденсатором 4 на оси 00 расположена теневая диафрагма

5, представляющая собой четырехскат- ЗО ную осесимметричную стекляную пирамиду высотой Н = 1,5 см с усеченными боковыми ребрами и с усеченной вершиной. Поверхность сечения ребер пирамиды по всей длине ребер имеет ширину

h=1 мм, а поверхность сечения верши1 ны пирамиды имеет форму восьмиугольника, длина главной диагонали которого h = 1,5 мм. Угол g между диаго-. нальными усеченными ребрами пирамиды 4р о составляет 90 . Основание и усеченная вершина пирамиды прозрачны, а на все ее боковые поверхности нанесено отражающее (нихромовое) покрытие.

Плоскость светового отверстия в 45 теневой диафрагме 5 перпендикулярна оси ОО.и оптически сопряжена с плоскостью расположения коллектора 2, а центр светового отверстия совпадает с центром кривизны О, исследуемой 50 поверхности 6, оптическая ось которой совпадает с осью 00. В плоскости 2 лежат оси симметрично расположенных фотоприемников (фотодиодов)

7, 8,. 9 и 10, регистрирующих суммарные световые потоки на их светочувствительные поверхности, H фотопластин

11, 12, 13 и 14 с объективами 15, 16, 17 и 18 с переменным фокусным рассто-. янием, сфокусированными на исследуемую поверхность 6 через отражающие плоскости сечения теневой диафрагмы

5. Фотопластины 11, 12, 13 и 14 снабжены шторками 19„ 20, 2 1 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 равно числу анализируемых теневых картин, и фотоприемник 40 с объективом 41. Отражающие поверхности 2730 служат для изменения нанравления 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 эти пучки поочередно перекрываются.

Способ осуществляется следующим образом.

Световой пучок, излучаемый источником 1 света и проходящий через световое отверстие в теневой диафрагме

5, падает на поверхность 6 и, отразившись от нее, формирует абберрированное изображение светового отверстия в плоскости, Так как центр светового отверстия в теневой диафрагме 5 совпадает с центром кривизны О< исследуемой поверхности, то

1330519 падающие на фотоприемники 7-10 световые потоки вызывают одинаковые электрические сигналы с них. Ось

С, С элементарного светового пучка, отраженного от элементарной пло щадки dS, пересекает плоскость в точке С, удаленной от центра светового отверстия 0„ на расстояние

= 2Rd где R — радиус кривизны исследуемой поверхности, a cc — угол между осью С<С и нормалью к элементарной площадке dS. При обычно имеющем место диапазоне тангенциальных отклонений контролируемой поверхнос- 15 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 20 считать равной ht, где t — проекция вектора t на направление, нормальное к кромке поверхности (. При открытии шторок 19-22 отраженный от поверхности элементарный световой ZS пучок падает на элементарный участок

dS фотопластины 13, оптически со-! пряженный с элементарной площадкой

dS. Освещенность площадки ds, таким образом пропорциональна составляющей ЗО тангенциального отклонения t в участке волнового фронта, сформированном элементарной площадкой dS контролируемой поверхности. При этом соответствующая элементарная площадII ка 6$ фотопластины 11, установленной симметрично фотопластине 13 относительно оси 00, имеет нулевую освещенность, так как на нее свет от участка dS не попадает. Таким образом, щ в плоскостях расположения фотопластин

11-14 формируются четыре теневые картины, которые попарно содержат взаимодополняющую 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 7-10 для точного выставления теневой диафрагмы симметрично на оси 00 и минимальности сигналов для точной установки светового отверстия диафрагмы 5 в плоскость центра кривизны поверхности 6. Симметрично устанавливают четыре приемные системы: объектив-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 теневых 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 освещенностей в соответствующих точках теневых картин, формируемых на диагонально расположенных в приборе фотопластинах 11 (уменьшаемое) и 13 (вычитаемое). Сбставляющие танген.— циальных отклонений в направлении от центра светового отверстия.в теневой диафрагме к фотопластине 14 принимают равными разности освещенностей, полученных на фотопластинах

14 (уменьшаемое) и 12 (вычитаемое).

Масштабный коэффициент между условными единицами и единицами измерения тангенциальных отклонений определяют с помощью операции калибровки.

Сдвигая теневую диафрагму 5 в направлении Х на известное расстояние h X осуществляют тем самым выбор новой сферы, относительно которой произво-. дится регистрация отклонений волнового фронта, со смещенным на 2 Х в направлении Х центром, и фиксируют полученное таким образом распределе-. ние освещенности на новой фотопластине, установленной на месте фотопластин 11. Изменение по сравнению с фотопластиной 11 освещенности теневой картины соответствует тангенциальному отклонению 2 Ь Х. Полученные таким образом массивы составляющих в двух направлениях Х и У векторов тангенциальных отклонений t используют за1330519 тем для определения нормальных отклонений N контролируемой поверхности 6 от сферической формы, принимая в расчет соотношение

t = 2R grad N.

Рассчитанная топографическая карта 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 поверх.ности позволяет правильно выбрать режим 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

h=0,8 мм, размеры основания призмы

20х34 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 помбщью объективов (Helios-44-2) 46 и

47. Оптическая часть системы контроля была установлена на вращающейся платформе 48. С помощью телекамеры 49 производилось поочередное сканирование теневых 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 (АЦП)51, откуда преобразованное в двоичный код принималось и обрабатывалось ЭВМ (электроника-60) 52. Виде-. оконтрольное -(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 б производилось рич е ской формы составляла D О, 4 мкм;

15 DN -0,6 мкм; Р, 0,5 мкм.

"г

) 50 элемента.

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

Исследовались напыленные сферические поверхности диаметром Р, =300 мм, Пг=300 мм, D =280 мм и с радиусом кривизны соответственно R(=3%5 м, К =5,2 м, К. = 1,6 м.

Амплитуда нормальных отклонений контролируемых поверхностей от сфеФормула 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 т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения ин- формативности способа повышения точности за счет уменьшения уровня фоновой засветки теневой картины и упрощения юстировки, совместно с первой теневой картиной исследуют по крайней мере три дополнительные теневые картины, при этом теневые картины формируют в свете, отраженном от определенного участка теневой диафрагмы, выполненной в виде многогранной усеченной пирамицы с прозрачными основанием и поверхностью сечения и зеркальными гранями, выбирают положение теневой диафрагмы, при котором теневые картины имеют минимальную суммарную освещенность, из соотношения освещенностей в сопряженных точках теневых картин определяют распределение градиента нормальных отклонений волнового фронта, аберрированного контролируемым оптическим элементом, и иэ полученного распределения рассчитывают топографическую карту волнового фронта, по которому судят о качестве исследуемого оптического

1330519

1330519

) 330519

Составитель Ю. Гринева

Техред А.Кравчук Корректор И. Муска

Редактор Л. Повхан

Заказ 3575/45 Тирам 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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