CZ304617B6 - Optická soustava pro měření tvaru konvexních odrazových ploch, zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel - Google Patents

Abstract

Optická soustava pro měření tvaru konvexních odrazových ploch (2), zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel, založená na principu Hartmannova testu a obsahující světelný zdroj (1) a digitální snímač (4) obrazu, jejíž podstata spočívá v tom, že mezi světelným zdrojem (1) a odraznou plochou (2) je umístěn dělič (3) svazku paprsků, na jehož úrovni je ve směru kolmém na spojnici světelného zdroje (1) a středu křivosti odrazné plochy (2) umístěn digitální snímač (4) obrazu, přičemž mezi dělič (3) a digitální snímač (4) obrazu jsou vloženy prostorový amplitudový modulátor (5) a prostorový filtr (6).

Description

Optická soustava pro měření tvaru konvexních odrazových ploch, zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel

Oblast techniky

Vynález řešení se týká konstrukce optické soustavy pro měření tvaru konvexních odrazových ploch, zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel, a to paprskové neinterferometrické optické soustavy využívající principu tzv. Hartmannova testu.

Dosavadní stav techniky

V současné době se k měření tvaru reflexních ploch používá mnoho různých metod, které jsou založeny na kontaktních, optických interferometrických nebo paprskových neinterferometrických principech, přičemž volba metody závisí na velikosti a tvaru měřeného vzorku, požadované přesnosti a požadovaném rozlišení.

Kontaktní metody jsou výhodné pro svůj značný rozsah měření v x-ové, y-ové i v z-tové souřadnici. Jejich nevýhodou je, že při měření dochází ke kontaktu měřené plochy a měřicího nástroje, což může mít za následek poškození měřeného vzorku. Interferometrické metody, publikované např. ve stati „Optical Shop Testing“ (D. Malacara, John Wiley & Sons lne., New York, 1992.) jsou bezkontaktní metody, jimiž se dosahuje velkých přesností měření v řádu i zlomků vlnové délky použitého záření. Jejich nevýhodou je, že vyžadují značné nároky na přesnost nastavení měřicí soustavy a na mechanickou stabilitu soustavy, přičemž rozsah měření je omezen, a to jak omezením plošné velikosti vzorku, tak intervalem měření. Plochy s velkou odchylkou od očekávaného tvaru jsou již těmito metodami neměřitelné.

Neinterferometrické optické metody využívají k určení tvaru odrazné plochy principy paprskové optiky. V určitých speciálních případech pak ideální optická soustava, například sférické zrcadlo, zobrazuje bodový zdroj světla do ideálního bodu. Jestliže optická plocha nemá perfektní tvar, paprsky odražené od různých oblastí odrazné plochy projdou obrazovou rovinou v různých bodech. U těchto měřicích metod se mezi odraznou plochu a vyhodnocovací zařízení, představované lidským okem nebo digitálním snímačem obrazu ve formě počítače vybaveného CCD kamerou, umístí binární maska opatřená sadami otvorů, které vymezují procházející světelné paprsky. Podle místa dopadu paprsků na plochu vyhodnocovacího zařízení je možno vypočítat směrnici normál dané plochy a následně integrací určit tvar plochy. Tyto metody se s úspěchem používají i pro zrcadla do největších teleskopů, jak je např. popsáno v časopise „ West Applied Optics“ (Steven C., Vol. 41, Issue 19, pp. 3781-3789).

Podle pozice a druhu masky, která je vkládána do světelného svazku, jsou známy tři základní neinterferometrické testy, a to Foucaltův test (Z. M. Foucault, C. R. Acad. Sci. Paris, 47, 958 (1858)), Ronchiho test (V Ronchi, Riv. Ottica Mecc. Precis, 2, 9 (1923)) a Hartmannův test (J. Hartmann, Z. Instrumentenkd, 20, 47 (1900)). U Foucaltova testu se binární maska, která je z poloviny průhledná a z poloviny zcela neprůjezdná, vkládá těsně před obrazový snímač. Tímto přechodem masky se pohybuje a podle obrazců, které se promítají při odrazu od zrcadla, se usuzuje na kvalitu tvaru odrazové plochy. U Ronchiho testu se před odrazový snímač vloží tzv. Ronchiho mřížka tvořená soustavou průhledných a neprůhledných pruhů s určitou hustotou. Podle tvaru pruhů, které se promítají od zrcadla, se usuzuje na kvalitu tvaru odrazové plochy. U Hartmannova testu se binární maska, tvořená průhlednými otvory, vkládá těsně před měřenou odraznou plochu. Otvory v masce pak vymezují paprsky, které dopadají na obrazový snímač, a následně se z polohy míst dopadu jednotlivých paprsků určuje tvar odrazné plochy. Původně se tyto metody vyhodnocovaly lidským okem, byly značně subjektivní a závislé na zkušenostech a erudovanosti hodnotitele. V současné době se pak využívají z vyhodnocování digitální snímače obrazu, např. CCD kameiy, jak je např. popsáno v článku „Hartmann Testing with a CCD“

- 1 CZ 304617 B6 (Porter, A. C„ CCDs in Astronomy, A.S.P. Cong. #8, 1990), které jsou umísťovány vesměs poblíž světelného zdroje, což v řadě případů způsobuje technické problémy při instalaci měřicí a vyhodnocovací techniky.

Úkolem předkládaného vynálezu je vytvoření optické soustavy s novým uspořádáním měřicích a s použitím nových prvků. Tato sestava upravuje klasický Hartmannův test a optimalizuje jeho užití pro měření konvexních odrazných ploch různých velikostí a vnáší do měření tvaru těchto ploch zcela nové možnosti.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle jev zásadě dosaženo vynálezem, kterým je optická soustava pro měření tvaru konvexních odrazových ploch, zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel, založená na principu Hartmannova testu a obsahující světelný zdroj a digitální snímač obrazu, jejíž podstata spočívá v tom, že mezi světelným zdrojem a odraznou plochou je umístěn dělič svazku paprsků, na jehož úrovni je ve směru kolmém na spojnici světelného zdroje a středu křivosti odrazné plochy umístěn digitální snímač obrazu, přičemž mezi dělič (3) a digitální snímač obrazu jsou vloženy prostorový amplitudový modulátor a prostorový filtr.

Také je podstatou vynálezu, že dělič je tvořen reflexně transparentní fólií nebo dělicí kostkou nebo optickou klínem nebo transparentní skleněnou destičkou.

Konečně je podstatou vynálezu, že prostorový amplitudový modulátor je tvořen v sérii uspořádanými polarizátorem, fázovým modulátorem (52) a analyzátorem.

Nové uspořádání optické soustavy podle vynálezu umožňuje zcela nové využití Hartmannova testu pro kvantitativní měření kvality tvaru odrazných ploch, zejména konvexních velkoplošných zrcadel. Tato soustava poskytuje zcela nové možnosti měření kvantitativních parametrů tvaru odrazné plochy. Užitím nových prvků a změnou geometrie umožňuje soustava přesnější měření, když zapojením aktivního prvku, tedy prostorového amplitudového modulátoru světla, je umožněno proskenovat povrch zrcadla s libovolnou hustotou měřicích bodů.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklad provedení vynálezu je schématický znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 je základní schéma optické soustavy a obr. 2 až obr. 4 jsou ukázky třech masek postupně zobrazovaných na fázovém modulátoru při měření, čímž dochází ke skenování měřené plochy.

Příklady provedení vynálezu

Základní provedení optické soustavy sestává z bodového světelného zdroje 1 nasměrovaného na střed křivosti konvexní odrazné plochy 2, například segmentu velkoplošného sférického zrcadla. Mezi světelným zdrojem 1 a odraznou plochou 2 je umístěn dělič 3 svazku paprsků, s výhodou reflexně transparentní fólie, jejíž funkční povrch je vzhledem ke směru světelných paprsků vysílaných ze světelného zdroje 1 skloněn pod úhlem 45°. Na úrovni děliče 3 je ve směru kolmém na spojnici světelného zdroje i a středu křivosti odrazné plochy 2 umístěn digitální snímač 4 obrazu, například CCD kamera, přičemž mezi prvky 3 a 4 jsou vloženy prostorový amplitudový modulátor 5 a prostorový filtr 6. Prostorový amplitudový modulátor 5 je pak tvořen v sérii uspořádanými polarizátorem 51, fázovým modulátorem 52 a analyzátorem 53.

V konkrétním případě pro měření tvaru odrazné plochy 2 segmentu sférického zrcadla hexagonnálního tvaru s poloměrem opsané kružnice 310 mm byla jako světelný zdroj 1 použita laserová

-2CZ 304617 B6 dioda, která svítí na vlnové délce 635 nm navázaná do jednobodového vlákna o průměru jádra 5 pm, kde numerická apertura vlákna zaručovala dostatečnou divergenci svazku pro osvětlení celé odrazné plochy 2. Jako dělič 3 byl zvolen blánový dělič tvořený fólii z nitrocelulózy o tloušťce 2 pm, která rozděluje světelný svazek na dvě části s intenzitou v poměru 50 : 50. U průhledového prostorového amplitudového modulátoru 5, nahrazujícího klasickou binární masku používanou běžně u Hartmannova testu, byl jako fázový modulátor 52 použit LCD čip, na který je počítačově zobrazována speciální neprůhledná binární maska tvořená souborem průhledových otvorů 521, jejíž polohu lze počítačově měnit, například pootáčením o určité úhly, jak je znázorněno na obr. 2 až obr. 4, a tím se dá proskenovat celý povrch odrazné plochy 2. Během měření pak lze tuto masku dynamicky měnit, čímž je umožněno podrobně proměřovat pouze zvolenou část odrazné plochy 2.

Při vlastním měření je svazkem paprsků ze světelného zdroje I osvětlována odrazná plocha 2, přičemž při průchodu děličem 3 se světelný paprsek rozdělí na dva svazky s poloviční intenzitou, z nichž jeden děličem 3 prochází směrem k odrazné ploše 2 a druhý se odrazí kolmo ke směru paprsku vycházejícího ze světelného zdroje L Ta část svazku, která projde děličem 3, osvětlí odraznou plochu 2, od níž se odrazí směrem zpět k děliči 3, od jehož povrchu se částečně odrazí k prostorovému amplitudovému modulátoru 5. Po průchodu prostorovým amplitudovým modulátorem 5 je prošlá část svazku filtrována prostorovým filtrem 6, realizovaným například kruhovým otvorem, a následně detekována digitálním snímačem 4 obrazu, tvořeným například monochromatickou CCD digitální kamerou o citlivosti cca 6 Megapixelů. Při měření je na fázovém modulátoru 51, tedy LCD čipu, počítačem zobrazována binární maska, jejíž jednotlivé obrazy vzniklé jejím pootáčením o určitý úhel se ukládají do paměti počítače a ze sejmutých obrázků se speciálním algoritmem zjišťují souřadnice plochy.

Popsané provedení není jediným možným řešením optické soustavy, ale dělič 3 nemusí být blánový a může být tvořen optickým klínem, dělicí kostkou nebo transparentní skleněnou destičkou.

Průmyslová využitelnost

Optickou soustavu podle vynálezu je možno použít v různých odvětvích výzkumu či průmyslu, například v optických dílnách, ve kterých je nutné kontrolovat velké reflexní plochy.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Optická soustava pro měření tvaru konvexních odrazových ploch (2), zejména segmentů velkoplošných sférických zrcadel, založená na principu Hartmannova testu a obsahující světelný zdroj (1) a digitální snímač (4) obrazu, vyznačující se tím, že mezi světelným zdrojem (1) a odraznou plochou (2) je umístěn dělič (3) svazku paprsků, na jehož úrovni je ve směru kolmém na spojnici světelného zdroje (1) a středu křivosti odrazné plochy (2) umístěn digitální snímač (4) obrazu, přičemž mezi dělič (3) a digitální snímač (4) obrazu jsou vloženy prostorový amplitudový modulátor (5) a prostorový filtr (6).
2. 2. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že dělič (3) je tvořen reflexně transparentní fólií nebo dělicí kostkou nebo optickým klínem nebo transparentní skleněnou destičkou.
3. 3. Optická soustava podle nároků la2, vyznačující se tím, že prostorový amplitudový modulátor (5) je tvořen v sérii uspořádanými polarizátorem (51), fázovým modulátorem (52) a analyzátorem (53).