RU147271U1

RU147271U1 - INTERFEROMETER FOR CONTROL OF FORM AND ANGULAR POSITION OF OPTICAL SURFACES

Info

Publication number: RU147271U1
Application number: RU2014126000/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Полещук; Владимир Николаевич Хомутов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Дифракция"
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2014-10-27

Abstract

1. Интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей, состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, первого светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой оптической детали, диафрагмы и установленной за ней проекционного объектива с видеокамерой, электрически связанной с хотя бы с одним блоком отображения изображения, отличающийся тем, что между коллимирующим объективом и проекционным объективом дополнительно введены оптически связанные второй светоделительный элемент, фокусирующая линза и фоточувствительный элемент, электрически связанный с хотя бы одним блоком обработки и визуализации.2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что фоточувствительный элемент выполнен в виде позиционного чувствительного фотодетектора.3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что второй светоделительный элемент выполнен совмещенным с диафрагмой.1. An interferometer for controlling the shape and angular position of optical surfaces, consisting of an optically coupled source of optical radiation, a first beam splitter, a collimating lens, a reference optical element, a controlled optical part, a diaphragm and a projection lens mounted behind it with a video camera electrically connected to at least with one image display unit, characterized in that between the collimating lens and the projection lens are additionally introduced optically with knitted a second beam splitting element, a focusing lens and a photosensitive element electrically connected to at least one processing and visualization unit. 2. The interferometer according to claim 1, characterized in that the photosensitive element is made in the form of a positional sensitive photodetector. 3. The interferometer according to claim 1, characterized in that the second beam splitting element is made combined with the diaphragm.

Description

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формы оптических поверхностей и углового положения объектов.This technical solution relates to measuring technique and can be used to control the shape of optical surfaces and the angular position of objects.

Известно техническое решение - интерферометр Физо для контроля формы оптических поверхностей (D. Malacara. Optical Shop Testing. Second Edition. Johh Wiley and Sons, Inc., NY. 1992. стр.27) состоящий из лазера, двух светоделительных элементов, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива и видеокамеры.A known technical solution is the Fizeau interferometer for controlling the shape of optical surfaces (D. Malacara. Optical Shop Testing. Second Edition. Johh Wiley and Sons, Inc., NY. 1992. p. 27) consisting of a laser, two beam splitting elements, a collimating lens, reference plate, controlled part, projection lens and camcorder.

Недостатком данного интерферометра является сложность конструкции, большие световые потери в оптической схеме и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали.The disadvantage of this interferometer is the complexity of the design, large light losses in the optical circuit and the difficulty in accurately adjusting the reference plate and the controlled part.

Известны технические решение, представленные в интерферометрах для контроля формы оптических изделий (Патенты США №4201473 «Optical interferometer system with CCTV camera for measuring a wide range of aperture sizes», МПК 6 01B 9/02,опубликовано 06.05.1980, патент США №5064286 «Optical alignment system utilizing alignment spot produced by image inverter», МПК G01B 11/26, G01B 9/02, опубликовано 11.12.1991) состоящие из лазера, микрообъектива, двух светоделительных элементов, системы зеркал, коллимирующего объектива, эталонной пластины, контролируемой детали, проекционного объектива, видеокамеры и матового стекла.Known technical solutions presented in interferometers for controlling the shape of optical products (US Patent No. 4201473 "Optical interferometer system with CCTV camera for measuring a wide range of aperture sizes", IPC 6 01B 9/02, published 05/06/1980, US patent No. 5064286 “Optical alignment system utilizing alignment spot produced by image inverter”, IPC G01B 11/26, G01B 9/02, published 11.12.1991) consisting of a laser, a micro lens, two beam splitting elements, a mirror system, a collimating lens, a reference plate, a controlled part projection lens, camcorder and frosted glass.

Недостатком этих технических решений является сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования одной видеокамеры, как для настройки, так и для проведения измерений и сложность в точной юстировке эталонной пластины и контролируемой детали относительно источника света.The disadvantage of these technical solutions is the complexity of the design, due to the need to use a single camera, both for adjustment and for measurements, and the difficulty in accurately adjusting the reference plate and the controlled part relative to the light source.

Известно также техническое решение - интерферометр для контроля формы оптических деталей (Патент РФ №2432546, «Интерферометр для контроля формы оптических деталей», МПК G01B 9/02, опубликовано 11.27.2013), выбранное в качестве прототипа. Интерферометр для контроля формы оптических деталей состоит из оптически связанных источника оптического излучения, первого светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой оптической детали, диафрагмы и установленной за ней проекционного объектива с видеокамерой электрически связанной с хотя бы с одним блоком отображения изображения. Интерферометр также содержит вторую видеокамеру и второй проекционный объектив. Оптическая ось второго проекционного объектива и второй видеокамеры проходит через центр диафрагмы под углом α_к оптической оси, соединяющей центр диафрагмы и коллимирующий объектив. Внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы оптически связана через второй проекционный объектив с плоскостью второй видеокамеры.A technical solution is also known - an interferometer for controlling the shape of optical parts (RF Patent No. 2432546, “Interferometer for controlling the shape of optical parts”, IPC G01B 9/02, published 11.27.2013), selected as a prototype. An interferometer for controlling the shape of optical parts consists of an optically coupled source of optical radiation, a first beam splitter, a collimating lens, a reference optical element, a controlled optical part, a diaphragm and a projection lens mounted behind it with a video camera electrically connected to at least one image display unit. The interferometer also contains a second video camera and a second projection lens. The optical axis of the second projection lens and the second video camera passes through the center of the diaphragm at an angle α _{to the} optical axis connecting the center of the diaphragm and the collimating lens. The diaphragm plane external to the first video camera is optically connected through the second projection lens to the plane of the second video camera.

В данном интерферометре первая видеокамера служит для регистрации интерференционной картины, возникающей после отражения оптического излучения от эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали. Вторая видеокамера вместе с вторым проекционным объективом установлены вне оптической оси между диафрагмой и коллимирующим объективом, причем внешняя по отношению к первой видеокамере плоскость диафрагмы оптически сопряжена вторым проекционным объективом с плоскостью второй видеокамеры. Плоскость диафрагмы выполнена в виде отражающего падающее оптическое излучение экрана. С помощью второй видеокамеры оператор визуально на экране монитора наблюдает перемещение автоколлимационных световых пятен по этому экрану. Световые пятна формируются на экране при отражении от эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали. Для корректной работы интерферометра необходимо точное совмещение пятен друг с другом и с оптической осью прибора, на которой расположен источник излучения (лазер). В известном приборе обеспечена возможность совмещения пятен друг с другом и с оптической осью. Однако существует область в диапазоне юстировки, когда оба пятна попадают в отверстие диафрагмы (область определена размером отверстия диафрагмы L_m=0.5…2 мм), вследствие чего, оператор их не видит на мониторе, так как в этом месте экран отсутствует. Однако световые пучки, которые формируют пятна все еще не соосны, поэтому необходимо выполнять дополнительную юстировку использую изображение интерферограммы. При попадание пятен в отверстие диафрагмы исчезает возможность визуально контролировать точность совмещения пятен с главной оптической осью интерферометра, следовательно, процесс юстировки усложняется и требует больше времени.In this interferometer, the first video camera serves to record the interference pattern that occurs after the reflection of optical radiation from a reference optical element and a controlled optical part. The second video camera together with the second projection lens are mounted outside the optical axis between the diaphragm and the collimating lens, and the diaphragm plane external to the first video camera is optically coupled by the second projection lens to the plane of the second video camera. The diaphragm plane is made in the form of a screen reflecting the incident optical radiation. Using the second video camera, the operator visually on the monitor screen observes the movement of autocollimation light spots on this screen. Light spots form on the screen when reflected from a reference optical element and a controlled optical part. For the interferometer to work correctly, it is necessary to precisely align the spots with each other and with the optical axis of the device on which the radiation source (laser) is located. In the known device, it is possible to combine spots with each other and with the optical axis. However, there is a region in the adjustment range when both spots fall into the diaphragm hole (the region is determined by the size of the diaphragm hole L _m = 0.5 ... 2 mm), as a result, the operator does not see them on the monitor, since there is no screen at this place. However, the light beams that form the spots are still not aligned, therefore it is necessary to perform additional adjustment using the image of the interferogram. When spots get into the aperture hole, the ability to visually control the accuracy of spot alignment with the main optical axis of the interferometer disappears, therefore, the alignment process is complicated and requires more time.

В данном интерферометре имеется возможность визуально определить взаимное угловое положение эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали по измерению величины перемещения световых пятен по экрану. Размер световых пятен достаточно мал и составляет около 10-15 мкм. Однако погрешность определения углового перемещения световых пятен достаточно велика и определяется формулой:In this interferometer, it is possible to visually determine the relative angular position of the reference optical element and the controlled optical part by measuring the amount of movement of light spots on the screen. The size of the light spots is quite small and is about 10-15 microns. However, the error in determining the angular displacement of light spots is quite large and is determined by the formula:

где l - поперечный размер экрана, N - число элементов разрешения (пикселов) второй видеокамеры и второго объектива.where l is the transverse screen size, N is the number of resolution elements (pixels) of the second video camera and the second lens.

Из выражения (1) следует, что угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен составляетFrom the expression (1) it follows that the angular error in determining the angular displacement of light spots is

При I=30 мм, N=500, f=1000 мм, погрешность определения углового перемещения составит σ₁=60 мкм, а соответствующая угловая погрешность составит σ_1угл≈10 угл. сек. В окрестности оптической оси эти измерения проводить нельзя, так как пятна попадают в отверстие диафрагмы диаметром L_m и не регистрируются второй видеокамерой.For I = 30 mm, N = 500, f = 1000 mm, the error in determining the angular displacement will be σ ₁ = 60 μm, and the corresponding angular error will be σ _{1 angle ≈10} angles. sec In the vicinity of the optical axis, these measurements cannot be performed, since spots fall into the aperture of the diameter L _m and are not recorded by the second video camera.

Таким образом, недостатком данного технического решения является, низкая точность и сложность юстировки оптической схемы, низкая точность определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали, а также невозможность проводить указанные действия в районе оптической оси.Thus, the disadvantage of this technical solution is the low accuracy and complexity of alignment of the optical circuit, the low accuracy of determining the angular position of the reference optical element and the controlled optical part, as well as the inability to carry out these actions in the region of the optical axis.

Перед авторами ставилась задача разработать интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей, позволяющий проводить юстировку и контроль углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали с большой точностью, быстротой и во всем диапазоне угловых перемещений.The authors were tasked with developing an interferometer to control the shape and angular position of optical surfaces, which allows alignment and control of the angular position of the reference optical element and the controlled optical part with great accuracy, speed, and over the entire range of angular displacements.

Поставленная задача решается тем, что в интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей состоящий из оптически связанных источника оптического излучения, первого светоделительного элемента, коллимирующего объектива, эталонного оптического элемента, контролируемой оптической детали, диафрагмы и установленной за ней проекционного объектива с видеокамерой электрически связанной с хотя бы с одним блоком отображения изображения, между коллимирующим объективом и проекционным объективом дополнительно введены оптически связанные второй светоделительный элемент, фокусирующая линза и фоточувствительный элемент, электрически связанный с хотя бы одним блоком обработки и визуализации, причем фоточувствительный элемент может быть выполнен в виде позиционного чувствительного фотодетектора, второй светоделительный элемент может быть выполнен совмещенным с диафрагмой.The problem is solved in that an interferometer for controlling the shape and angular position of optical surfaces consisting of an optically coupled source of optical radiation, a first beam splitting element, a collimating lens, a reference optical element, a controlled optical part, a diaphragm and a projection lens mounted behind it with an electrically connected video camera with at least one image display unit, an additional input between the collimating lens and the projection lens optically coupled are a second beam splitting element, a focusing lens and a photosensitive element electrically coupled to at least one processing and imaging unit, the photosensitive element may be in the form of a position sensitive photodetector, the second beam splitting element may be combined with the diaphragm.

Технический эффект, заявляемого технического решения заключается в повышении точности юстировки интерферометра, упрощении и увеличении скорости процесса юстировки, а также в увеличении точности определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали.The technical effect of the proposed technical solution is to increase the alignment accuracy of the interferometer, simplify and increase the speed of the alignment process, as well as to increase the accuracy of determining the angular position of the reference optical element and the controlled optical part.

На фиг. 1. представлена схема интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей, где 1 - источник оптического излучения, 2 - первый светоделительный элемент, 3 - коллимирующий объектив, 4 - эталонный оптический элемент, 5 - контролируемая оптическая деталь, 6 -диафрагма, 7 - второй светоделительный элемент, 8 - фокусирующая линза, 9 -фоточувствительный элемент, 10 - проекционный объектив, 11 - видеокамера, 12 - блок отображения изображения, 13 - блок обработки и визуализации.In FIG. 1. presents a diagram of an interferometer for controlling the shape and angular position of optical surfaces, where 1 is the source of optical radiation, 2 is the first beam splitter, 3 is the collimating lens, 4 is the reference optical element, 5 is the controlled optical part, 6 is the aperture, 7 is the second beam splitting element, 8 is a focusing lens, 9 is a photosensitive element, 10 is a projection lens, 11 is a video camera, 12 is an image display unit, 13 is a processing and visualization unit.

На фиг. 2 представлен пример отображения графической информации, поступающей от односегментного фотоприемника, где 14 - кривая изменения сигнала, 15 - пороговый уровень.In FIG. Figure 2 shows an example of the display of graphic information from a single-segment photodetector, where 14 is the signal variation curve, 15 is the threshold level.

На фиг. 3 представлен пример отображения графической информации, поступающей от позиционно чувствительного фотоприемника, где 16 - кривая изменения сигнала.In FIG. Figure 3 shows an example of the display of graphical information coming from a positionally sensitive photodetector, where 16 is the signal variation curve.

На фиг. 4 представлен пример варианта схемы интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей.In FIG. Figure 4 shows an example of an embodiment of an interferometer circuit for controlling the shape and angular position of optical surfaces.

Заявляемый интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей (Фиг. 1) работает следующим образом. Оптическое излучение от точечного монохроматического источника оптического излучения 1 (например, одночастотного He-Ne лазера, снабженного короткофокусным микрообъективом и микродиафрагмой) направляется первым светоделительным элементом 2 к коллимирующему объективу 3. Пройдя коллимирующий объектив 3, оптическое излучение проходит эталонный оптический элемент 4 и поступает к контролируемой оптической детали 5. Плоскости эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности эталонного оптического элемента 4 (опорный световой пучок) и контролируемой оптической детали 5 (измерительный световой пучок)) снова проходит коллимирующий объектив 3, первый светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 6, которая установлена под углом α_к к оптической оси. Второй светоделительный элемент 7 может располагаться в любом месте между коллимирующим объективом 3 и проекционным объективом 10, в том числе возможен вариант, что второй светоделительный элемент 7 может быть выполнен совмещенным с диафрагмой 6. Рассмотрим вариант, когда диафрагма 6 совмещена со вторым светоделительным элементом 7, который выполнен, например, в виде оптической пластины. Непрозрачное покрытие диафрагмы 6 (например, пленка хрома толщиной 80-100 нм покрытая рассеивающим оптическое излучение слоем) нанесено на внешнюю по отношению проекционному объективу 10 сторону второго светоделительного элемента 7. В центральной части второго светоделительного элемента 7 (отверстие диафрагмы) диаметром L_m непрозрачное покрытие отсутствует. В этой области, например, может быть нанесено диэлектрическое светоделительное покрытие, а на вторую сторону нанесено просветляющее покрытие.The inventive interferometer to control the shape and angular position of the optical surfaces (Fig. 1) works as follows. Optical radiation from a monochromatic point source of optical radiation 1 (for example, a single-frequency He-Ne laser equipped with a short-focus micro lens and a micro-diaphragm) is directed by the first beam splitter element 2 to the collimating lens 3. After passing through the collimating lens 3, the optical radiation passes through the reference optical element 4 and goes to the controlled optical element 4 optical part 5. The planes of the reference optical element 4 and the controlled optical part 5 are set in such a way that creates an auto llimatsionny path of the rays. The optical radiation reflected from the outer surface of the reference optical element 4 (reference light beam) and the controlled optical part 5 (measuring light beam)) again passes through the collimating lens 3, the first beam splitting element 2 and is focused in the plane of the diaphragm 6, which is installed at an angle α _to to the optical axis. The second beam splitting element 7 can be located anywhere between the collimating lens 3 and the projection lens 10, including the option that the second beam splitting element 7 can be combined with the diaphragm 6. Consider the case when the diaphragm 6 is aligned with the second beam splitting element 7, which is made, for example, in the form of an optical plate. An opaque coating of the diaphragm 6 (for example, a 80-100 nm thick chromium film coated with an optical scattering layer) is applied to the side of the second beam splitting element 7 external to the projection lens 10. In the central part of the second beam splitting element 7 (aperture hole) with a diameter L _{m, an} opaque coating absent. In this area, for example, a dielectric beam splitting coating can be applied, and an antireflection coating is applied on the second side.

При правильной настройке интерферометра оптическое излучение, отраженное от эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 6, которое выполнено в непрозрачном покрытии. Второй светоделительный элемент 7, совмещенный с диафрагмой 6, направляет часть излучения на фокусирующую линзу 8 и фоточувствительный элемент 9, а оставшаяся (большая) часть оптического излучения направляется к проекционному объективу 10 и видеокамере 11. При правильной настройке интерферометра на фоточувствительной поверхности видеокамеры 11 формируется интерференционная картина, которая анализируется и рассматривается с помощью хотя бы одного блока отображения изображения 12. Сигнал от фоточувствительного элемента 9 поступает к хотя бы одному блоку обработки и визуализации 13, где затем обрабатывается и представляется в графическом и/или цифровом виде, удобном для проведения юстировки и определения углового положения эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5.With the interferometer set up correctly, the optical radiation reflected from the reference optical element 4 and the controlled optical part 5 passes through an opening in the diaphragm 6 located on the optical axis, which is made in an opaque coating. The second beam splitting element 7, combined with the diaphragm 6, directs part of the radiation to the focusing lens 8 and the photosensitive element 9, and the remaining (large) part of the optical radiation is directed to the projection lens 10 and the video camera 11. When the interferometer is correctly configured, the interference is formed on the photosensitive surface of the video camera 11 the picture, which is analyzed and examined using at least one image display unit 12. The signal from the photosensitive element 9 goes to at least one block of processing and visualization 13, where it is then processed and presented in graphical and / or numerical form convenient for adjustment and determining the angular position of the reference optical member 4 and the controllable optical component 5.

При изменении углового положения эталонного оптического элемента 4 и/или контролируемой оптической детали 5 световые пятна перемещаются по поверхности второго светоделительного элемента 7, совмещенного с диафрагмой 6. Диаметр светового пятна определяется формулой (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. 713 с.):When changing the angular position of the reference optical element 4 and / or the controlled optical part 5, the light spots move along the surface of the second beam splitter element 7, combined with the diaphragm 6. The diameter of the light spot is determined by the formula (Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. 2nd Edition Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973. 713 pp.):

где λ - длина волны света, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива, d - диаметр эталонного оптического элемента 4 или контролируемой оптической детали 5.where λ is the wavelength of light, f is the focal length of the collimating lens, d is the diameter of the reference optical element 4 or of the controlled optical part 5.

Если λ=0.6328 мкм, f=1000 мм, d=100 мм, диаметр светового пятна W≈15 мкмIf λ = 0.6328 μm, f = 1000 mm, d = 100 mm, the diameter of the light spot is W≈15 μm

Фокусирующая линза 8 фокусирует отраженное оптическое излучение в плоскость фоточувствительного элемента 9. При перемещении световых пятен по поверхности фоточувствительного элемента формируется электрический сигнал, функционально связанный с координатой их положения.A focusing lens 8 focuses the reflected optical radiation into the plane of the photosensitive element 9. When light spots move along the surface of the photosensitive element, an electrical signal is formed that is functionally related to the coordinate of their position.

Фоточувствительный элемент 9 может быть выполнен в виде одноэлементного фотоприемника. На фиг. 2 приведен пример отображения (кривая 14) электрического сигнала поступающего от одноэлементного фотоприемника. Когда световое пятно совмещено с центром фотоприемника, величина электрического сигнала - максимальна. Это соответствует точной юстировке эталонного оптического элемента 4 или контролируемой оптической детали 5. При смещении светового пятна, уровень сигнала уменьшается, например, до порогового уровня n=0.5 (линия 15 на фиг. 2).The photosensitive element 9 can be made in the form of a single-element photodetector. In FIG. Figure 2 shows an example of the display (curve 14) of an electric signal coming from a single-element photodetector. When the light spot is aligned with the center of the photodetector, the magnitude of the electrical signal is maximum. This corresponds to the exact alignment of the reference optical element 4 or the controlled optical part 5. When the light spot is shifted, the signal level decreases, for example, to the threshold level n = 0.5 (line 15 in Fig. 2).

Если фоточувствительный элемент 9 выполнен в виде одноэлементного фотоприемника, например, фотодиода, с диаметром D_s, то угловая погрешность σ_угл определения углового перемещения светового пятна может быть оценена по формуле:If the photosensitive member 9 is designed as a single-element photodetector, e.g., photodiode, with a diameter D _s, the angular error σ _carbon determining the angular displacement of the light spot can be estimated by the formula:

где m=0.1-0.7 - постоянный коэффициент, V - коэффициент увеличения фокусирующей линзы 8, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива 3.where m = 0.1-0.7 is a constant coefficient, V is the magnification factor of the focusing lens 8, f is the focal length of the collimating lens 3.

Диаметр фотоприемника 03 должен быть много меньше диаметра отверстия диафрагмы 6 с учетом увеличения: D_s<<V·L_m. Диаметр L_m отверстия диафрагмы выбирается для обеспечения фильтрации бликов и паразитного рассеянного оптического излучения:The diameter of the photodetector 03 should be much smaller than the diameter of the aperture of the diaphragm 6, taking into account the increase: D _s << V · L _m . The diameter L _{m of the} aperture hole is selected to provide filtering of glare and stray scattered optical radiation:

где β - угловой размер фильтруемого оптического излучение, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива 3.where β is the angular size of the filtered optical radiation, f is the focal length of the collimating lens 3.

Если β=1 угл. мин, то при f=1000 мм, диаметр диафрагмы составляет L_m=0.6 мм, а диаметр фотоприемника при увеличении V=10 должен быть D_s<<6 мм, например, D_s=0.3 мм.If β = 1 angle min, then at f = 1000 mm, the diameter of the aperture is L _m = 0.6 mm, and the diameter of the photodetector with increasing V = 10 should be D _s << 6 mm, for example, D _s = 0.3 mm.

Из формулы (4) следует, что при n=0.3, D_s=0.3 мм, V=10, f=1000 мм угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен составит σ_угл=9·10^-6 или около 2 угл. сек.From (4) it follows that when n = 0.3, D _s = 0.3 mm, V = 10, f = 1000 mm angular displacement for determining the angular displacement of light spots be _carbon σ = 9 x 10 ^-6 or about 2 carbon. sec

Фоточувствительный элемент 9 выполненный в виде одноэлементного фотоприемника позволяет с быстро и с достаточно малой угловой погрешностью провести юстировку и оценку углового смещения контролируемых поверхностей. Однако одноэлементный фотоприемник не позволяет определить направление смещения контролируемых поверхностей, так как кривая 14 на фиг. 2 симметрична.The photosensitive element 9 made in the form of a single-element photodetector allows you to quickly and with a sufficiently small angular error, carry out the adjustment and assessment of the angular displacement of the surfaces being monitored. However, a single-element photodetector does not allow determining the direction of displacement of the surfaces to be monitored, since curve 14 in FIG. 2 is symmetrical.

Фоточувствительный элемент 9 может быть также выполнен в виде позиционно чувствительного фотодетектора, двухсегментного фотодетектора, четырех сегментного фотодетектора или фоточувствительной матрицы. При использовании, например, двухсегментного фотодетектора, электрические сигналы с обоих сегментов вычитаются в блоке обработки и визуализации 13. На фиг. 3 приведен пример отображения (кривая 16) электрического сигнала, поступающего от двухсегментного фотодетектора. Когда световое пятно находится точно между сегментами фотодетектора, величина электрического сигнала равна нулю. Это соответствует точной юстировке эталонного оптического элемента или контролируемой оптической детали. При смещении светового пятна перпендикулярно линии раздела сегментов фотодетектора (координата x), уровень сигнала уменьшается или увеличивается, в зависимости от направления смещения светового пятна. При использовании четырехсегментного фотодетектора, аналогично получаются электрические сигналы по координате x и по координате y.The photosensitive element 9 can also be made in the form of a positionally sensitive photodetector, two-segment photodetector, four segment photodetector or photosensitive matrix. When using, for example, a two-segment photodetector, electrical signals from both segments are subtracted in the processing and visualization unit 13. In FIG. Figure 3 shows an example of the display (curve 16) of an electric signal coming from a two-segment photodetector. When the light spot is exactly between the photodetector segments, the magnitude of the electrical signal is zero. This corresponds to the precise alignment of the reference optical element or controlled optical part. When the light spot is displaced perpendicular to the line of separation of the photodetector segments (x coordinate), the signal level decreases or increases, depending on the direction of the light spot displacement. When using a four-segment photodetector, electrical signals in the x coordinate and in the y coordinate are likewise obtained.

При применении двух или четырех сегментных фотодетекторов угловая погрешность σ_угл определения углового перемещения световых пятен определяется размером светового пятна, шумами фотодетектора и дискретностью преобразования аналогового электрического сигнала с фотодетектора в цифровой сигнал в блоке обработки и визуализации 13 и может быть оценена по формуле:When using two or four-segment photodetectors angular error σ _carbon determining the angular displacement of light spots determined by the size of the light spot, photodetector noise conversion and discrete analog electrical signal from the photodetector into a digital signal in the processing unit and the visualization 13 and may be estimated by the formula:

где s=1-5 - коэффициент, учитывающий шум фотодетектора и оптические помехи, N - количество «дискретов» преобразования аналогового сигнала в цифровой.where s = 1-5 is the coefficient taking into account the photodetector noise and optical noise, N is the number of “discrete” conversions of the analog signal to digital.

При W=15 мкм, s=2, f=1000 мм, N=1024 из выражения (6) следует, что угловая погрешность определения углового перемещения световых пятен будет σ_угл~6·10^-8 или 0.01 угл. сек, а диапазон измерения углового перемещения световых пятен R=±5 угл. сек., как показано на фиг. 3.When W = 15 mm, s = 2, f = 1000 mm, N = 1024 from the expression (6) it follows that the angular error of the angular displacement of light spots is _carbon σ ~ 6 × 10 ^-8 0.01 or coal. sec, and the measurement range of the angular displacement of light spots R = ± 5 ang. sec. as shown in FIG. 3.

Сравнивая выражения (1) и (2) и выражения (4) и (6) видно, что предлагаемое устройство обеспечивает существенное увеличение точности определения углового положения эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5.Comparing expressions (1) and (2) and expressions (4) and (6), it is seen that the proposed device provides a significant increase in the accuracy of determining the angular position of the reference optical element 4 and the controlled optical part 5.

На рис. 4, в качестве примера, приведен вариант схемы интерферометра для контроля формы и углового положения оптических поверхностей. Оптическое излучение от точечного монохроматического источника оптического излучения 1 направляется первым светоделительным элементом 2 к коллимирующему объективу 3. Пройдя коллимирующий объектив 3, оптическое излучение проходит эталонный оптический элемент 4 и поступает к контролируемой оптической детали 5. Плоскости эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 установлены таким образом, что создается автоколлимационный ход лучей. Оптическое излучение, отраженное от внешней поверхности эталонного оптического элемента 4 и контролируемой оптической детали 5 снова проходит коллимирующий объектив 3, первый светоделительный элемент 2 и фокусируется в плоскости диафрагмы 6.In fig. 4, as an example, an embodiment of an interferometer circuit for controlling the shape and angular position of optical surfaces is shown. The optical radiation from the monochromatic point source of optical radiation 1 is directed by the first beam splitting element 2 to the collimating lens 3. After passing through the collimating lens 3, the optical radiation passes through the reference optical element 4 and arrives at the controlled optical part 5. The planes of the reference optical element 4 and the controlled optical part 5 are installed so that an autocollimation ray path is created. The optical radiation reflected from the outer surface of the reference optical element 4 and the controlled optical part 5 again passes through the collimating lens 3, the first beam splitting element 2 and is focused in the plane of the diaphragm 6.

Далее, оптическое излучение проходит через расположенное на оптической оси отверстие в диафрагме 6. Второй светоделительный элемент 7, который расположен между диафрагмой и проекционным объективом, направляет часть излучения на фокусирующую линзу 8 и фоточувствительный элемент 9, а оставшаяся часть оптического излучения направляется к проекционному объективу 10 и видеокамере 11. Сигнал от фоточувствительного элемента 9 поступает к хотя бы одному блоку обработки и визуализации 13. В данном варианте оптической схемы, установка второго светоделительного элемента 7 за диафрагмой 6 обеспечивает эффективную фильтрацию бликов и паразитного рассеянного оптического излучения (см. выражение (5)), которые в этом случае не поступают к фоточувствительному элементу 9, уменьшая оптические помехи (коэффициент s).Further, the optical radiation passes through an opening in the diaphragm 6 located on the optical axis. The second beam splitting element 7, which is located between the diaphragm and the projection lens, directs part of the radiation to the focusing lens 8 and the photosensitive element 9, and the remaining part of the optical radiation is directed to the projection lens 10 and a video camera 11. The signal from the photosensitive element 9 goes to at least one processing and visualization unit 13. In this embodiment of the optical scheme, the second light elitelnogo element 7 of diaphragm 6 provides effective filtering parasitic reflections and scattered optical radiation (see. the expression (5)), which in this case does not come to the photosensitive member 9, reducing the optical disturbance (s ratio).

Таким образом, в предлагаемом техническом решении обеспечивается повышении точности юстировки интерферометра, упрощение и увеличение скорости процесса юстировки, а также существенное увеличении точности определения углового положения эталонного оптического элемента и контролируемой оптической детали.Thus, the proposed technical solution provides improved accuracy of alignment of the interferometer, simplification and increase the speed of the alignment process, as well as a significant increase in the accuracy of determining the angular position of the reference optical element and the controlled optical part.

Claims

1. An interferometer for controlling the shape and angular position of optical surfaces, consisting of an optically coupled source of optical radiation, a first beam splitter, a collimating lens, a reference optical element, a controlled optical part, a diaphragm and a projection lens mounted behind it with a video camera electrically connected to at least with one image display unit, characterized in that between the collimating lens and the projection lens are additionally introduced optically with knitted a second beam splitting element, a focusing lens and a photosensitive element electrically connected to at least one processing and visualization unit.

2. The interferometer according to claim 1, characterized in that the photosensitive element is made in the form of a positional sensitive photodetector.

3. The interferometer according to claim 1, characterized in that the second beam splitting element is made combined with the diaphragm.