Теневой способ контроля оптических элементов

(Д ИИПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.он. с и участии конт и затем рассчи сформированного п ируемого элемента,тывают его топографич рактеризующую качеств го элемента. 4 ил.та, рол скую карту, ха- контролируемо 3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ 3652106/31-2530.09.8315.08,87. Бюл. У 30Институт общейфизики АН СССРЕ.В. Демидов и Е.С. Живописце535,24(088.8)Патент Франции У 1578704,01 д, 1966.торское свидетельство СССР499; кл, С 02 В 27/38, 1978,(54) ТЕНЕВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использованодля контроля оптических деталей впроцессе их изготовления .и для аттестации оптических систем. Цель изобретения - повышение информативностии упрощение юстировки. Для этого контролируемый 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 фрр,. Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля оптических деталей в процессе их изготовленияи для аттеста 5 ции оптических систем, а также для исследования оптических неоднородностей прозрачных сред.Цель изобретения - повышение информативности и упрощение юстировки. 10На 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 сист 15 тему оптического совмещения теневых картин; на фиг. 4 - схема автоматизированной системы контроля.Теневой прибор для контроля сферических оптических поверхностей содер О жит источник 1 света (ксеноновую лампу сверхвысокого давления), уста новленный 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 В=1 мм, а поверхность сечения вершины пирамиды имеет форму восьмиугольника, длина главной диагонали которого Ь = 1,5 мм. Уголмежду диагональными усеченными ребрами пирамиды 40осоставляет 90 . Основание и усеченная вершина пирамиды прозрачны, а на все ее боковые поверхности нанесено отражающее (нихромовое) покрытие, Плоскостьсветового отверстия в 45 теневой диафрагме 5 перпендикулярна оси 00.и оптически сопряжена с плоскостью расположения коллектора 2, а центр светового отверстия совпадаетс 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, и фотопластин 11, 12, 13 и 14 с объективами 15, 16, 17 и 18 с переменным фокусным расстоянием, 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 27- 30 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, топадающие на фотоприемники 7-10 световые потоки вызывают одинаковые электрические сигналы с них. Ось С, С элементарного светового пучка, отраженного от элементарной пло щадки ЙБ, пересекает плоскостьв точке С , удаленной от центра светового отверстия 0 на расстояние = 2 Кй, где К - радиус кривизны ис О следуемой поверхности, а Ф, - угол между осью СС и нормалью к элементарной площадке ЙБ. При обычно имеющем место диапазоне тангенциальных отклонений контролируемой поверхнос ти смещения С малы по сравнению с Ь, и площадь поперечника той части элементарного светового пучка которая падает на отражающую поверхностьсечения ребра диафрагмы 5,можно 20 считать равной М , где г; - проекция вектора г. на направление, нормальное к кромке поверхности. При открытии шторок 19-22 отраженный от поверхностиэлементарный световой 25 пучок падает на элементарный участок дБ фотопластины 13, оптически сопряженный с элементарной площадкой ЙБ. Освещенность площадки ЙБ, такимобразом пропорциональна составляющей ЗОтангенциального отклоненияв участке волнового Фронта, сформированном элементарной площадкой ОБ контролируемой поверхности. При этом соответствующая элементарная площадИка йБ фотопластины 11, установленной симметрично фотопластине 13 относительно оси 00, имеет нулевую освещенность, так как на нее свет от участка ЙБ 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 минимальностисигналов 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 плоскостисветового 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 вусловных 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 направленииот 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 Ь Х, осуществляют тем самым выбор новой сферы, относительно которой произво-. дится регистрация отклонений волнового фронта, со смещенным на 2 Ь 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 С используют за 1330519тем для определения нормальных отклонений 1 контролируемой поверхности 6 от сферической формы, принимая в расчет соотношениее = 2 й ятай М.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,П р и м е р, В качестве источника 1 света использовалась ксеноновая лампа сверхвысокого давления в осветителе для микроскопов ХВО 101 (Каг 1 2 езз Депа). Теневая диафрагма 5 выполнена в виде прямоугольной призмы с усеченным ребром прямого угла и нихромовым покрытием на ее боковых гранях. Ширина поверхности сечения Ь=0,8 мм, размеры основания призмы 20 х 34 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 помощью объективов (Не 1 доз-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) 52. Видеоконтрольное(ВК) устройство 53 использовалось для просмотратеневых картин и юстировки системы, Результаты контроля выводились на графопостроитель (Н 304) 54 и печатающее устройство (Сопзц 1-260) 55. Для построения топографической карты контролируемой поверхности б производилосьрической формы составляла Р 0,4 мкм;15 Р - О, 6 мкм; Р,: О, 5 мкм,г ф3 50 элемента,55 20 25 30 35 40 сканирование теневых картин при различных ориентациях оси расположенияприемников 44 и 45, для чего платформу 48 поворачивали на известныйугол.Исследовались напыленные сферические поверхности диаметром Р, =300 мм,Р =300 мм, Р =280 мм и с радиусом кривизны соответственно 2=3,5 м,К =5,2 м, К. = 1,6 м. Амплитуда нормальных отклоненийконтролируемых 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 суммар. ную освещенность, из соотношения освещенностей в сопряженных точках теневых картин определяют распределение градиента нормальных отклоненийволнового фронта, аберрированного контролируемым оптическим элементом,и иэ полученного распределения рассчитывают топографическую карту волнового фронта, по которому судят окачестве исследуемого оптического1330519 едакт кторИ. Муск овха дписное ак Производственно-полиграфическое предприятие, г. Узто л, Проектная, 4 3575/45ВНИИПИ Госупо делам113035, Москв ставитель Ю. Гриневхред А. Кравчук К Тирак 776 Прственного комитета СССРзобретений и открытийЖ, Раушская наб., д. 4/