RU2667323C1 - Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor - Google Patents

Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2667323C1
RU2667323C1 RU2017123599A RU2017123599A RU2667323C1 RU 2667323 C1 RU2667323 C1 RU 2667323C1 RU 2017123599 A RU2017123599 A RU 2017123599A RU 2017123599 A RU2017123599 A RU 2017123599A RU 2667323 C1 RU2667323 C1 RU 2667323C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
radius
curvature
nozzle
wavefront
Prior art date
Application number
RU2017123599A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Васильевич Барышников
Дмитрий Геннадьевич Денисов
Илья Вадимович Животовский
Валерий Ефимович Карасик
Елена Евгеньевна Мухина
Алексей Александрович Сахаров
Василий Александрович Соколовский
Original Assignee
Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" Сокращенное название: НП НЦ "ЛИТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" Сокращенное название: НП НЦ "ЛИТ" filed Critical Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" Сокращенное название: НП НЦ "ЛИТ"
Priority to RU2017123599A priority Critical patent/RU2667323C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2667323C1 publication Critical patent/RU2667323C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/255—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring radius of curvature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/005—Testing of reflective surfaces, e.g. mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: method comprises setting an initial position for the reference mirror 1.2 with the known radius of curvature R, which corresponds to the coincidence of its center of curvature with the focus point of the optical nozzle 2 on the optical axis of the single unit including the optical nozzle 2, the optical system 3 and the wavefront sensor 4. Optical nozzle 2 receives the spherical wavefront, which is reflected from the reference mirror 1.2 with the radius of curvature equal to the focal length ƒof the optical nozzle 2. After the optical nozzle and the optical system, the flat wavefront comes to the wavefront sensor 4. By means of a small displacement Δa single block along the optical axis is used to determine the radius of curvature of the wave front R, coming to the wavefront sensor 4, after which the initial installation for the controlled part 1.1 with the radius Ris carried out, the above described operations are performed, the amount of movement of a single unit Δis determined, at which the wavefront sensor 4 receives the spherical wavefront with the radius of curvature R, and the radius of curvature of the controlled part R.EFFECT: increased accuracy of determining the radius of curvature of the controlled surface.3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Предлагаемое изобретение относится к разработкам в области измерительных оптических систем и может применяться в системах контроля качества и других областях оптической промышленности.The present invention relates to developments in the field of measuring optical systems and can be used in quality control systems and other fields of the optical industry.

Уровень техникиState of the art

Задача измерения (определения) радиуса кривизны оптических поверхностей деталей больших размеров (крупногабаритной оптики) является достаточно важной и актуальной.The task of measuring (determining) the radius of curvature of the optical surfaces of large-sized parts (large-sized optics) is quite important and relevant.

Известны способы и устройства определения радиуса кривизны оптических деталей, в особенности, больших размеров, на основе анализа данных, полученных с помощью интерферометров, построенных по схеме Физо. Эти изобретения описаны, например, в следующих патентах:Known methods and devices for determining the radius of curvature of optical parts, in particular, large sizes, based on the analysis of data obtained using interferometers constructed according to the Fizeau scheme. These inventions are described, for example, in the following patents:

патент США US 4074937 (A) OPTICAL MEASURING DEVICE (МПК G01B 9/02, G01B 11/26, опубликовано: 1978-02-21);US patent US 4074937 (A) OPTICAL MEASURING DEVICE (IPC G01B 9/02, G01B 11/26, published: 1978-02-21);

патент РФ RU 87793 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА СФЕРИЧЕСКИХ ПОЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ (МПК G01B 9/02, опубликовано: 20.10.2009).RF patent RU 87793 DEVICE FOR MEASURING THE RADIUS OF SPHERICAL POLISHED SURFACES (IPC G01B 9/02, published: 20.10.2009).

Однако, указанные способы, использующие данные интерферометрических измерений имеют ряд недостатков:However, these methods using data from interferometric measurements have several disadvantages:

- требуют наличия источника излучения с большой длиной когерентности при контроле крупногабаритных оптических деталей;- require a radiation source with a long coherence length when monitoring large optical parts;

- измеряемый радиус кривизны оптических деталей, как правило, равен величине перемещения оптической части прибора относительно измеряемой оптической детали, что крайне неудобно для случаев больших радиусов (порядка нескольких метров);- the measured radius of curvature of the optical parts, as a rule, is equal to the displacement of the optical part of the device relative to the measured optical part, which is extremely inconvenient for cases of large radii (of the order of several meters);

- такие приборы обычно имеют высокую чувствительность к вибрациям.- such devices usually have a high sensitivity to vibrations.

Эти принципиальные для интерференционных способов измерения недостатки устраняются при использовании способа измерения радиусов кривизны крупногабаритной оптики на основе анализа параметров волнового фронта, отраженного от контролируемой поверхности с помощью датчика волнового фронта (ДВФ).These disadvantages for interference measurement methods are eliminated by using the method of measuring the radii of curvature of large-sized optics based on the analysis of the parameters of the wavefront reflected from the controlled surface using a wavefront sensor (DFT).

Такие способ и устройство определения радиусов кривизны оптических деталей, в особенности, крупногабаритной оптики, приведены в патенте RU 2623702. Описанные в этом патенте объекты способа и устройства можно принять в качестве прототипов предлагаемых объектов изобретения (прим.: нумерация и обозначения элементов соответствует нумерации и обозначениям на фиг. 1).Such a method and apparatus for determining the radii of curvature of optical parts, in particular, large-sized optics, are given in patent RU 2623702. The objects of the method and device described in this patent can be adopted as prototypes of the proposed objects of the invention (note: numbering and designation of elements corresponds to numbering and designations in Fig. 1).

Прототипный способ, описанный в патенте RU 2623702, являясь непосредственным (т.е. содержащим расчет радиуса кривизны контролируемой детали исходя из абсолютного значения радиуса кривизны волнового фронта, прошедшего через оптическую систему и измеренного ДВФ, при некотором рассогласовании вдоль оптической оси фокуса насадки прибора и центра кривизны измеряемой поверхности оптической детали с помощью датчика волнового фронта), содержит установку начального положения, соответствующего совпадению фокуса насадки 2 и центра кривизны поверхности детали 1 на единой оптической оси детали 1, насадки 2 и системы 3, в этом начальном положении на насадку 2 единого блока приходит отраженный от детали 1 сферический волновой фронт с радиусом кривизны, равным фокусному расстоянию ƒн насадки 2, при этом после насадки 2 и системы 3 этот волновой фронт приходит на датчик 4 уже в виде плоского волнового фронта с радиусом кривизны, равным бесконечности. После этого посредством дополнительного малого по сравнению с величиной радиуса Rз кривизны поверхности детали 1 перемещения Δ единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль оптической оси производят определение радиуса Rз через определение радиуса кривизны приходящего на датчик 4 отраженного от поверхности детали 1 сферического волнового фронта с учетом его геометрического преобразования системой 3 с помощью расчета по формуле отрезков для насадки 2 и элементов 3.1, 3.2 и с использованием формул расчета радиуса Rз из соотношенияThe prototype method described in patent RU 2623702, being direct (i.e., containing the calculation of the radius of curvature of the controlled part based on the absolute value of the radius of curvature of the wavefront transmitted through the optical system and measured by the DVF, with some mismatch along the optical axis of the focus of the nozzle of the device and the center the curvature of the measured surface of the optical part using the wavefront sensor), contains the installation of the initial position corresponding to the coincidence of the focus of the nozzle 2 and the center of curvature of the surface spans of part 1 on the single optical axis of part 1, nozzle 2 and system 3, in this initial position, a spherical wavefront reflected from part 1 comes to the nozzle 2 of a single unit with a radius of curvature equal to the focal length ƒ n of the nozzle 2, while after the nozzle 2 and system 3, this wavefront arrives at sensor 4 already in the form of a plane wavefront with a radius of curvature equal to infinity. Thereafter, by further small compared with the magnitude of the radius R of curvature of the surface of the workpiece 1 moving Δ single nozzle unit 2, system 3 and sensor 4 along the optical axis produces a certain radius R of through determination of the radius of curvature of the incoming to the transmitter 4 reflected from the surface of the part 1 of the spherical wave front, taking into account its geometric transformation by system 3 using the calculation according to the formula of segments for nozzle 2 and elements 3.1, 3.2 and using formulas for calculating the radius R s from the relation

Figure 00000001
Figure 00000001

где Rn - радиус кривизны волнового фронта на входе в оптическую систему устройства, (итоговый радиус зеркала вычисляется по формуле:where R n is the radius of curvature of the wavefront at the entrance to the optical system of the device, (the total radius of the mirror is calculated by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где ƒоб и ƒок - фокусные растояния элементов 3.1 и 3.2 соответственно, а l - расстояние между насадкой 2 и элементом 3.1) с учетом правила знаков геометрической оптики.where ƒ r and ƒ ok are the focal distances of elements 3.1 and 3.2, respectively, and l is the distance between the nozzle 2 and element 3.1), taking into account the rules of signs of geometric optics.

Ограничением указанного способа является использование в расчетах абсолютных значений измеренного ДВФ радиуса кривизны волнового фронта Rдвф, которое требует учета точности изготовления оптических компонентов, параметры которых входят в расчетную формулу, а также невозможность учесть погрешности юстировки оптических элементов, что и приводит к увеличению суммарной погрешности измерений.A limitation of this method is the use in the calculations of the absolute values of the measured DVF of the radius of curvature of the wavefront R dvf , which requires taking into account the accuracy of manufacturing optical components whose parameters are included in the calculation formula, as well as the inability to take into account the alignment errors of optical elements, which leads to an increase in the total measurement error .

Прототипное устройство содержит: - оптическую насадку 2; - оптическую систему 3, состоящую из афокальной системы оптических элементов 3.1, 3.2, светоделительного кубика 3.3 между ними и точечного источника излучения 3.4, причем оптический элемент 3.1 является коллимирующим объективом для источника 3.4 с выводом коллимированного излучения в насадку 2 и одновременно с этим элементы 3.1, 3.2 согласуют апертуры насадки 2 и датчика 4, расположенного позади элемента 3.2; - место неподвижного расположения детали 1 с ее контролируемой поверхностью, обращенной измеряемой поверхностью к насадке 2; - деталь 1, насадка 2 и система 3 расположены последовательно на единой оптической оси; - насадка 2, система 3 и датчик 4 образуют единый блок с возможностью его малых по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности детали 1 варьируемых перемещений вдоль оптической оси относительно места неподвижного расположения детали 1 для изменения характеристик сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 в датчик 4.The prototype device contains: - optical nozzle 2; - optical system 3, consisting of an afocal system of optical elements 3.1, 3.2, a beam splitter 3.3 between them and a point source of radiation 3.4, and optical element 3.1 is a collimating lens for source 3.4 with output of collimated radiation to nozzle 2 and at the same time elements 3.1, 3.2 coordinate the apertures of the nozzle 2 and the sensor 4 located behind the element 3.2; - the place of the fixed location of the part 1 with its controlled surface facing the measured surface to the nozzle 2; - part 1, nozzle 2 and system 3 are arranged sequentially on a single optical axis; - nozzle 2, system 3 and sensor 4 form a single unit with the possibility of its small compared to the radius of curvature of the surface of the part 1 of variable displacements along the optical axis relative to the fixed location of the part 1 to change the characteristics of spherical wave fronts reflected from the surface of the part 1 back to nozzle 2 and through elements 3.1, 3.2 to the sensor 4.

Ограничением описанного в указанном патенте RU 2623702 прототипного устройства является большая погрешность измерения, обусловленная использованием абсолютных значений измеренных радиусов кривизн волнового фронта.The limitation of the prototype device described in the aforementioned patent RU 2623702 is a large measurement error due to the use of the absolute values of the measured radii of curvature of the wave front.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Предлагаемый дифференциальный способ реализуется следующим образом: способ содержит установку начального положения сначала для эталонного зеркала 1.2 известного радиуса (Rэт), соответствующего совпадению точки фокуса насадки 2 и центра кривизны эталонного зеркала 1.2 на единой оптической оси эталонного зеркала 1.2, насадки 2 и системы 3, в этом начальном положении на насадку 2 единого блока приходит отраженный от эталонного зеркала 1.2 сферический волновой фронт с радиусом кривизны, равным фокусному расстоянию ƒн насадки 2, при этом после насадки 2 и системы 3 этот волновой фронт приходит на датчик 4 уже в виде плоского волнового фронта с радиусом кривизны, равным бесконечности. После этого посредством дополнительного малого по сравнению с величиной радиуса Rэт кривизны поверхности детали 1.2 перемещения Δэт единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль оптической оси фиксируют полученный датчиком волнового фронта радиус его кривизны (Rдвф). Затем такую же начальную установку проводят для контролируемой детали 1.1 с радиусом Rз. После этого прибор перемещают на расстояние Δз, которое соответствует получению на датчике волнового фронта прибора такого же радиуса кривизны волнового фронта, как и для эталонного зеркала Rдвф, при перемещении на расстояние Δэт. Это означает, что на входе прибора в случае эталонного и контролируемого зеркала будет волновой фронт одного и того же радиуса кривизны (т.е. с помощью ДВФ сравниваются два волновых фронта, что является дифференциальным способом опирающимся на относительные точностные характеристики датчика, которые на порядок лучше абсолютных). Таким образом, можно записать выражение определения радиуса кривизны контролируемой поверхности через формулу отрезков без использования параметров оптической системы прибора:The proposed differential method is implemented as follows: the method comprises first setting the initial position for the reference mirror 1.2 of known radius (R et ) corresponding to the coincidence of the focal point of the nozzle 2 and the center of curvature of the reference mirror 1.2 on the single optical axis of the reference mirror 1.2, nozzle 2 and system 3, in this initial position, a spherical wavefront reflected from the reference mirror 1.2 comes to the nozzle 2 of a single block with a radius of curvature equal to the focal length ƒ n of the nozzle 2, while after us Adki 2 and System 3, this wavefront arrives at sensor 4 as a plane wavefront with a radius of curvature equal to infinity. After that, by means of an additional small relative to the value of the radius R et curvature of the surface of the part 1.2 displacement Δ et of a single block of the nozzle 2, system 3 and sensor 4 along the optical axis, the radius of curvature obtained by the wavefront sensor (R dvf ) is recorded . Then the same initial installation is carried out for the controlled part 1.1 with a radius R z . After that, the device is moved to a distance Δ s , which corresponds to obtaining at the sensor wavefront of the device the same radius of curvature of the wavefront as for the reference mirror R dvf , when moving to a distance Δ et . This means that at the input of the device, in the case of a reference and controlled mirror, there will be a wavefront of the same radius of curvature (i.e., two wavefronts are compared using the DVF, which is a differential method based on the relative accuracy of the sensor, which is an order of magnitude better absolute). Thus, it is possible to write the expression for determining the radius of curvature of the controlled surface through the formula of segments without using the parameters of the optical system of the device:

Figure 00000003
Figure 00000003

В предлагаемом способе используют перемещение Δэт таким образом, чтобы на датчик волнового фронта 4 приходил сферический волновой фронт, соответствующий допустимому минимально измеряемому датчиком 4 радиусу кривизны сферического волнового фронта, а измерения ведутся на основе смещений Δэт и Δз, которые соответствуют получению одинаковых радиусов кривизны волнового фронта на датчике волнового фронта.In the proposed method, a movement Δ et is used in such a way that a spherical wave front corresponding to the allowable minimum radius of curvature of the spherical wave front measured by the sensor 4 arrives at the wavefront sensor 4, and the measurements are based on the displacements Δ et and Δ З , which correspond to obtaining the same radii curvature of the wavefront on the wavefront sensor.

Принципиальным отличием предлагаемого способа измерения радиуса кривизы крупногабаритных оптических деталей от прототипного является переход от абсолютных измерений параметров волнового фронта к относительным (дифференциальным) введением процедуры сравнения анализируемого волнового фронта с референсным (полученным от эталонного зеркала). В этом случае формула расчета не зависит от параметров оптической системы прибора, обеспечивая минимальную погрешность измерения благодаря использованию относительных точностных характеристик ДВФ и универсальность расчетов, подходящих для любых параметров оптической системы, что приводит к высокой точности определения радиуса кривизны волнового фронта датчиком, и как следствие этого, высокой точности определения радиуса кривизны контролируемой поверхности детали.The fundamental difference between the proposed method for measuring the radius of curvature of large-sized optical parts from the prototype is the transition from absolute measurements of the wavefront parameters to relative (differential) introduction of a procedure for comparing the analyzed wavefront with a reference (obtained from a reference mirror). In this case, the calculation formula does not depend on the parameters of the optical system of the device, providing the minimum measurement error due to the use of relative accuracy characteristics of the FEF and the universality of calculations suitable for any parameters of the optical system, which leads to high accuracy in determining the radius of curvature of the wavefront by the sensor, and as a result , high accuracy of determining the radius of curvature of the controlled surface of the part.

Таким образом, полученная формула является универсальной - позволяет рассчитать радиус кривизны контролируемой детали для любых параметров оптической системы прибора, построенного по схеме прототипа. С учетом указанных особенностей, расчетная погрешность измерения радиуса кривизны контролируемой поверхности детали снижается примерно в 2…4 раза.Thus, the resulting formula is universal - allows you to calculate the radius of curvature of the controlled part for any parameters of the optical system of the device, built according to the prototype scheme. Given these features, the calculated error in measuring the radius of curvature of the controlled surface of the part is reduced by about 2 ... 4 times.

Предлагаемое к патентованию устройство, реализующее предложенный дифференциальный способ измерения содержит: - вбрасываемое эталонное зеркало известного радиуса 1.2, установленное на платформе 6; оптическую насадку 2; оптическую систему 3, состоящую из афокальной системы оптических элементов 3.1, 3.2, светоделительного кубика 3.3 между ними и точечного источника излучения 3.4, причем оптический элемент 3.1 является коллимирующим объективом для источника 3.4 с выводом коллимированного излучения в насадку 2 и одновременно с этим элементы 3.1, 3.2 согласуют апертуры насадки 2 и датчика 4, расположенного позади элемента 3.2; - место неподвижного расположения детали 1.1 с ее контролируемой поверхностью, обращенной лицом к насадке 2; - деталь 1.1, насадка 2 и система 3 расположены последовательно на единой оптической оси; - насадка 2, система 3 и датчик 4 образуют единый блок с возможностью его малых по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности детали 1.1 (или эталонного зеркала 1.2) варьируемых перемещений относительно неподвижно закрепленной платформы 6 вдоль оптической оси и, соответственно, относительно места неподвижного расположения детали 1.1 для изменения характеристик сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1.1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 в датчик 4.A device proposed for patenting that implements the proposed differential measurement method comprises: - a throw-in reference mirror of known radius 1.2 mounted on a platform 6; optical nozzle 2; optical system 3, consisting of an afocal system of optical elements 3.1, 3.2, a beam splitter cube 3.3 between them and a point source of radiation 3.4, and optical element 3.1 is a collimating lens for source 3.4 with output of collimated radiation to nozzle 2 and at the same time elements 3.1, 3.2 coordinate the apertures of the nozzle 2 and the sensor 4 located behind the element 3.2; - the place of the fixed location of the part 1.1 with its controlled surface facing the nozzle 2; - part 1.1, nozzle 2 and system 3 are arranged sequentially on a single optical axis; - nozzle 2, system 3 and sensor 4 form a single unit with the possibility of its small compared to the radius of curvature of the surface of the part 1.1 (or reference mirror 1.2) of variable displacements relative to the fixed platform 6 along the optical axis and, accordingly, relative to the location of the stationary part 1.1 to change the characteristics of spherical wave fronts reflected from the surface of part 1.1 back to nozzle 2 and through elements 3.1, 3.2 to sensor 4.

При этом оптическая ось датчика 4 совпадает с единой оптической осью детали 1.1, насадки 2 и системы 3, с отсутствием излома кубиком 3.3 сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1.1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 к датчику 4; а кубик 3.3 использован только для ввода излучения от источника 3.4 в элемент 3.1.In this case, the optical axis of the sensor 4 coincides with the single optical axis of the component 1.1, nozzle 2 and system 3, with the absence of a cube 3.3 of spherical wave fronts reflected from the surface of the component 1.1 back to the nozzle 2 and through elements 3.1, 3.2 to the sensor 4; and cube 3.3 is used only to introduce radiation from source 3.4 into element 3.1.

В отличие от прототипной схемы устройства в предлагаемом устройстве дополнительно установлено вбрасываемое эталонное зеркало известного радиуса 1.2, которое съюстировано относительно устройства так же, как и измеряемая деталь для измерения эталонного перемещения устройства Δэт непосредственно перед началом измерений. Это обстоятельство позволяет учесть состояние окружающей среды непосредственно перед проведением измерений, т.к. полученный в качестве опорного датчиком волновой фронт с радиусом кривизны Rдвф записывается в тех же условиях, что и проводятся измерения, и исключить из расчетов параметры оптической системы, что приводит к повышению точности расчетов, учитывающих условия измерения и получению универсальной формулы расчета радиуса кривизны контролируемой детали, не зависящей от параметров оптической системы.In contrast to the prototype circuit of the device, the proposed device additionally has a throw-in reference mirror of known radius 1.2, which is aligned with the device in the same way as the measured part for measuring the reference movement of the device Δ et immediately before the measurement. This circumstance allows you to take into account the state of the environment immediately before the measurements, because the wavefront obtained as a sensor reference with a radius of curvature R dvf is recorded under the same conditions as the measurements are taken and the optical system parameters are excluded from calculations, which leads to an increase in the accuracy of calculations taking into account the measurement conditions and to obtain a universal formula for calculating the radius of curvature of the controlled part independent of the parameters of the optical system.

Точечный источник излучения 3.4 преимущественно представляет собой лазер с выходом на одномодовое оптическое волокно. Устройство имеет возможность перемещения единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль единой оптической оси с помощью подвижного механического столика 5, относительно неподвижно закрепленной платформы 6 на которой закреплено вбрасываемое эталонное зеркало известного радиуса 1.2, указанный единый блок насадки 2, системы 3 и датчика 4.The point source of radiation 3.4 is mainly a laser with an output to a single-mode optical fiber. The device has the ability to move a single nozzle block 2, system 3 and sensor 4 along a single optical axis using a movable mechanical stage 5, a relatively fixed platform 6 on which a throw-in reference mirror of a known radius 1.2 is fixed, said single nozzle block 2, system 3 and sensor four.

Перечень фигурList of figures

На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта.In FIG. 1 shows an optical diagram of the proposed device for differential determination of the radius of curvature of large optical parts using a wavefront sensor.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

В соответствии с нумерацией и обозначениями фиг. 1 устройство содержит: вбрасываемое эталонное зеркало известного радиуса 1.2, установленное на платформе 6; оптическую насадку 2; оптическую систему 3, состоящую из афокальной системы оптических элементов 3.1, 3.2, светоделительного кубика 3.3 между ними и точечного источника излучения 3.4, причем оптический элемент 3.1 является коллимирующим объективом для источника 3.4 с выводом коллимированного излучения в насадку 2 и одновременно с этим элементы 3.1, 3.2 согласуют апертуры насадки 2 и датчика 4, расположенного позади элемента 3.2; - место неподвижного расположения детали 1.1 с ее контролируемой поверхностью, обращенной лицом к насадке 2; деталь 1.1, насадка 2 и система 3 расположены последовательно на единой оптической оси; насадка 2, система 3 и датчик 4 образуют единый блок с возможностью его малых по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности детали 1.1 варьируемых перемещений относительно неподвижно закрепленной платформы 6 вдоль оптической оси и, соответственно, относительно места неподвижного расположения детали 1.1 для изменения характеристик сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1.1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 в датчик 4, при этом оптическая ось датчика 4 совпадает с единой оптической осью детали 1.1, насадки 2 и системы 3, с отсутствием излома кубиком 3.3 сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности детали 1.1 обратно в насадку 2 и через элементы 3.1, 3.2 к датчику 4; а кубик 3.3 использован только для ввода излучения от источника 3.4 в элемент 3.1. Точечный источник излучения 3.4 преимущественно представляет собой лазер с выходом на одномодовое оптическое волокно. Устройство имеет возможность перемещения единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль единой оптической оси с помощью подвижного механического столика 5, на котором установлен указанный единый блок насадки 2, системы 3 и датчика 4, неподвижно закрепленного на платформе 6.In accordance with the numbering and symbols of FIG. 1 device comprises: a throw-in reference mirror of known radius 1.2 mounted on a platform 6; optical nozzle 2; optical system 3, consisting of an afocal system of optical elements 3.1, 3.2, a beam splitter cube 3.3 between them and a point source of radiation 3.4, and optical element 3.1 is a collimating lens for source 3.4 with output of collimated radiation to nozzle 2 and at the same time elements 3.1, 3.2 coordinate the apertures of the nozzle 2 and the sensor 4 located behind the element 3.2; - the place of the fixed location of the part 1.1 with its controlled surface facing the nozzle 2; part 1.1, nozzle 2 and system 3 are arranged in series on a single optical axis; nozzle 2, system 3 and sensor 4 form a single unit with the possibility of its small compared to the radius of curvature of the surface of the part 1.1 of variable displacements relative to the fixed platform 6 along the optical axis and, accordingly, relative to the location of the stationary part 1.1 to change the characteristics of spherical wave fronts reflected from the surface of the part 1.1 back to the nozzle 2 and through the elements 3.1, 3.2 to the sensor 4, while the optical axis of the sensor 4 coincides with the single optical axis of the part 1.1, nozzle 2 and system 3, with the absence of a cube 3.3 of spherical wave fronts reflected from the surface of part 1.1 back to nozzle 2 and through elements 3.1, 3.2 to sensor 4; and cube 3.3 is used only to introduce radiation from source 3.4 into element 3.1. The point source of radiation 3.4 is mainly a laser with an output to a single-mode optical fiber. The device has the ability to move a single unit of the nozzle 2, system 3 and sensor 4 along a single optical axis using a movable mechanical stage 5, on which the specified unit block of the nozzle 2, system 3 and sensor 4 is mounted, fixedly mounted on the platform 6.

Устройство используют в способе определения большого радиуса кривизны крупногабаритной оптической детали следующим образом: начальное положение устройства настраивают так, чтобы фокус насадки 2 совпадал с центром кривизны эталонного зеркала 1.2 (с известным радиусом кривизны Rэт). В этом положении на сам прибор приходит волновой фронт с радиусом кривизны, равным ƒн, а на датчик волнового фронта 4 приходит плоский волновой фронт с радиусом кривизны равным бесконечности. Совмещение положений этих точек на оптической оси осуществляется с помощью подвижного механического столика 5, на котором закреплено устройство. В состоянии измерения положение фокуса насадки 2 и центра кривизны эталонного зеркала 1.2 получают рассогласование Δэт (в случае эталонного зеркала) по оптической оси путем соответствующего перемещения устройства с помощью подвижного столика 5. В этом случае на ДВФ получим радиус кривизны волнового фронта Rдвф. Затем указанную выше последовательность повторяют для контролируемой детали 1.1, получив новое значение перемещения (Δз) при том же радиусе кривизны волнового фронта Rдвф на ДВФ. Тогда радиус кривизны контролируемой детали можно вычислить по формуле:The device is used in the method for determining the large radius of curvature of a large optical part as follows: the initial position of the device is adjusted so that the focus of the nozzle 2 coincides with the center of curvature of the reference mirror 1.2 (with a known radius of curvature R et ). In this position, a wavefront with a radius of curvature equal to ƒ n arrives at the device itself, and a plane wavefront with a radius of curvature equal to infinity arrives at the wavefront sensor 4. The combination of the positions of these points on the optical axis is carried out using a movable mechanical stage 5, on which the device is mounted. In the state of measurement, the position of the focus of the nozzle 2 and the center of curvature of the reference mirror 1.2 obtain a mismatch Δ et (in the case of the reference mirror) along the optical axis by correspondingly moving the device using the movable stage 5. In this case, on the DVF we obtain the radius of curvature of the wavefront R dvf . Then, the above sequence is repeated for the controlled part 1.1, obtaining a new displacement value (Δ h ) with the same radius of curvature of the wavefront R dvf on the FEF. Then the radius of curvature of the controlled part can be calculated by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

Формула записана с учетом правил знаков в оптике - правил определения знаков величин и направлений, принятых при расчете оптических систем, а также при изображении (и чтении) оптических схем, и поэтому она универсально применима как для определения радиусов выпуклых, так и вогнутых поверхностей. Радиус кривизны вогнутых поверхностей при измерении устройством не имеет ограничений на фокусное расстояние ƒн используемой насадки. В случае выпуклых поверхностей их радиус кривизны не должен быть больше фокусного расстояния ƒн используемой насадки.The formula is written taking into account the rules of signs in optics - the rules for determining the signs of quantities and directions adopted in the calculation of optical systems, as well as in the image (and reading) of optical schemes, and therefore it is universally applicable for determining the radii of convex and concave surfaces. The radius of curvature of concave surfaces when measured by the device has no restrictions on the focal length ƒ n of the used nozzle. In the case of convex surfaces, their radius of curvature should not be greater than the focal length ƒ n of the nozzle used.

Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention

Проектировочные расчеты в МГТУ им. Н.Э. Баумана для различных типов зеркальных поверхностей дали следующие результаты, сведенные в таблицу (данные получены для одного из расчетных фокусов насадки ƒн=400 мм и на базе использования датчика волнового фронта с допустимо минимально измеряемым радиусом кривизны волнового фронта 650 мм; другие параметры ДВФ: диаметр зрачка 11,15 мм, фокусное расстояние линзового растра - 3,2 мм; размер элемента линзового растра - 136 мкм; число элементов - 80×80 (6400); погрешность измерения PV - 2 нм).Design calculations in MSTU. N.E. Bauman for various types of mirror surfaces gave the following results, summarized in the table (data obtained for one of the calculated nozzle tricks ƒ n = 400 mm and based on the use of a wavefront sensor with an admissible minimum measurable radius of curvature of the wavefront of 650 mm; other parameters of the DWF: diameter the pupil is 11.15 mm, the focal length of the lens raster is 3.2 mm; the element size of the lens raster is 136 μm; the number of elements is 80 × 80 (6400); the measurement error of PV is 2 nm).

Figure 00000005
Figure 00000005

По сравнению с прототипным способом измерения из патента RU 2623702 среднеквадратическая погрешность измерения радиуса кривизны волнового фронта становится заметно меньше для больших радиусов кривизн, а также, при этом требуется насадка с меньшим фокусным расстоянием, что уменьшает размеры прибора и диапазон перемещений, позволяя использовать более высокоточную платформу для перемещения.Compared with the prototype measurement method from patent RU 2623702, the root-mean-square error of measuring the radius of curvature of the wavefront becomes noticeably smaller for large radii of curvature, and also, a nozzle with a smaller focal length is required, which reduces the size of the device and the range of movement, allowing the use of a higher precision platform for moving.

Claims (4)

1. Способ дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта, содержащий установку начального положения для эталонного зеркала 1.2, соответствующего совпадению точки фокуса оптической насадки 2 и центра кривизны поверхности эталонного зеркала с известным радиусом кривизны Rэт 1.2 на оптической оси единого блока, включающего оптическую насадку 2, оптическую систему 3 и датчик волнового фронта 4, в этом начальном положении на оптическую насадку 2 единого блока приходит отраженный от эталонного зеркала 1.2 сферический волновой фронт с радиусом кривизны, равным фокусному расстоянию ƒн оптической насадки 2, при этом после оптической насадки 2 и оптической системы 3 этот волновой фронт приходит на датчик волнового фронта 4 уже в виде плоского волнового фронта с радиусом кривизны, равным бесконечности; после этого посредством дополнительного малого по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности эталонного зеркала 1.2 перемещения Δэт единого блока вдоль оптической оси производят определение радиуса кривизны волнового фронта Rдвф, приходящего на датчик волнового фронта 4, после чего проводят начальную установку для контролируемой детали 1.1 с радиусом RЗ, повторяют вышеописанные операции для контролируемой детали 1.1, при этом определяют величину перемещения единого блока ΔЗ, при котором на датчик волнового фронта 4 приходит сферический волновой фронт с радиусом кривизны Rдвф, и вычисляют радиус кривизны контролируемой детали R3 по формуле:1. A method for differential determination of the radius of curvature of large optical parts using a wavefront sensor, comprising setting an initial position for the reference mirror 1.2, corresponding to the coincidence of the focal point of the optical nozzle 2 and the center of curvature of the surface of the reference mirror with the known radius of curvature R et 1.2 on the optical axis of a single unit including optical nozzle 2, optical system 3 and wavefront sensor 4, in this initial position, the optical nozzle 2 of a single unit arrival it means a spherical wavefront reflected from the reference mirror 1.2 with a radius of curvature equal to the focal length ƒ n of the optical nozzle 2, and after the optical nozzle 2 and the optical system 3, this wavefront arrives at the wavefront sensor 4 in the form of a plane wavefront with a radius of curvature equal to infinity; after that, by means of an additional small relative to the magnitude of the radius of curvature of the surface of the reference mirror 1.2 displacement Δ et of a single unit along the optical axis, the radius of curvature of the wavefront R dvf arriving at the wavefront sensor 4 is determined, after which the initial setup for the controlled part 1.1 with a radius R W, the operations described above is repeated for the component to 1.1, and the determined amount of movement Δ single block Z, wherein in the wavefront sensor 4 comes sp nonstoichiometric wavefront with a radius of curvature R DVF, and calculating the radius of curvature R 3 of the component to the formula:
Figure 00000006
Figure 00000006
 2. Устройство дифференциального определения радиуса кривизны крупногабаритных оптических деталей с использованием датчика волнового фронта, содержащее: оптическую насадку 2; оптическую систему 3, состоящую из афокальной системы двух оптических элементов 3.1, 3.2, светоделительного кубика 3.3 между ними и точечного источника излучения 3.4, причем первый оптический элемент 3.1 является коллимирующим объективом для точечного источника излучения 3.4 с выводом коллимированного излучения в оптическую насадку 2 и одновременно с этим первый и второй оптические элементы 3.1, 3.2 согласуют апертуры оптической насадки 2 и датчика волнового фронта 4, расположенного позади второго оптического элемента 3.2; место неподвижного расположения контролируемой детали 1.1 с ее контролируемой поверхностью, обращенной лицом к оптической насадке 2; при этом контролируемая деталь 1.1, оптическая насадка 2 и оптическая система 3 расположены последовательно на единой оптической оси; оптическая насадка 2, оптическая система 3 и датчик волнового фронта 4 образуют единый блок с возможностью его малых по сравнению с величиной радиуса кривизны поверхности контролируемой детали 1.1 варьируемых перемещений вдоль оптической оси относительно места неподвижного расположения контролируемой детали 1.1 для изменения характеристик сферических волновых фронтов, отраженных от поверхности контролируемой детали 1.1 обратно в оптическую насадку 2 и через первый и второй оптические элементы 3.1, 3.2 в датчик волнового фронта 4, отличающееся тем, что введено дополнительно вбрасываемое эталонное зеркало 1.2 известного радиуса, которое закреплено на основании 6 и съюстировано так же, как и контролируемая деталь, 1.1 для измерения перемещения единого блока относительно места расположения эталонного зеркала 1.2 непосредственно перед началом измерений радиуса кривизны поверхности контролируемой детали 1.1.2. A device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using a wavefront sensor, comprising: an optical nozzle 2; optical system 3, consisting of an afocal system of two optical elements 3.1, 3.2, a beam-splitting cube 3.3 between them and a point radiation source 3.4, the first optical element 3.1 being a collimating lens for a point radiation source 3.4 with the output of collimated radiation to optical nozzle 2 and simultaneously with the first and second optical elements 3.1, 3.2 match the apertures of the optical nozzle 2 and the wavefront sensor 4 located behind the second optical element 3.2; the fixed location of the controlled part 1.1 with its controlled surface facing the optical nozzle 2; while the controlled part 1.1, the optical nozzle 2 and the optical system 3 are located sequentially on a single optical axis; the optical nozzle 2, the optical system 3 and the wavefront sensor 4 form a single unit with the possibility of its small compared to the radius of curvature of the surface of the controlled part 1.1 of variable displacements along the optical axis relative to the fixed location of the controlled part 1.1 to change the characteristics of spherical wave fronts reflected from the surface of the controlled part 1.1 back to the optical nozzle 2 and through the first and second optical elements 3.1, 3.2 to the wavefront sensor 4, different in that the introduced additional throws reference mirror 1.2 known radius, which is fixed to base 6 and syustirovano as well as a controlled item, 1.1 for measuring displacement of a single unit relative to the locations of the reference mirror 1.2 immediately prior measurements of radius of curvature of the surface of the component to 1.1. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что имеет возможность перемещения единого блока насадки 2, системы 3 и датчика 4 вдоль единой оптической оси с помощью подвижного механического столика 5, на котором закреплен указанный единый блок как относительно измеряемой детали 1.1, так и эталонного зеркала 1.2.3. The device according to claim 2, characterized in that it has the ability to move a single unit of the nozzle 2, system 3 and sensor 4 along a single optical axis using a movable mechanical stage 5, on which the indicated single unit is fixed both relative to the measured part 1.1, and reference mirror 1.2.
RU2017123599A 2017-07-05 2017-07-05 Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor RU2667323C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123599A RU2667323C1 (en) 2017-07-05 2017-07-05 Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017123599A RU2667323C1 (en) 2017-07-05 2017-07-05 Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2667323C1 true RU2667323C1 (en) 2018-09-18

Family

ID=63580274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017123599A RU2667323C1 (en) 2017-07-05 2017-07-05 Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2667323C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710976C1 (en) * 2019-02-18 2020-01-14 Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" НП НЦ "ЛИТ" Device with spaced arms for measuring the radius of curvature of concave optical parts
RU2715434C1 (en) * 2019-07-19 2020-02-28 Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" НП НЦ "ЛИТ" Method of restoring the shape of the aspherical surface of an optical part based on the parameters of the reflected wavefront, obtained by instruments with wavefront sensors (wfs)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6791696B1 (en) * 1998-06-18 2004-09-14 Optikos Corporation Automated optical measurement apparatus and method
JP5281837B2 (en) * 2008-07-17 2013-09-04 オリンパス株式会社 Method and apparatus for measuring radius of curvature
US20130235472A1 (en) * 2012-03-09 2013-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Aspheric surface measuring method, aspheric surface measuring apparatus, optical element producing apparatus and optical element
RU2623702C1 (en) * 2016-07-19 2017-06-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Device and method of determining curvature radius of large-sized optical parts on basis of wavefront sensor
CN106908016A (en) * 2017-03-06 2017-06-30 中国科学院光电技术研究所 Concave cavity mirror curvature radius measuring method based on light field camera

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6791696B1 (en) * 1998-06-18 2004-09-14 Optikos Corporation Automated optical measurement apparatus and method
JP5281837B2 (en) * 2008-07-17 2013-09-04 オリンパス株式会社 Method and apparatus for measuring radius of curvature
US20130235472A1 (en) * 2012-03-09 2013-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Aspheric surface measuring method, aspheric surface measuring apparatus, optical element producing apparatus and optical element
RU2623702C1 (en) * 2016-07-19 2017-06-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Device and method of determining curvature radius of large-sized optical parts on basis of wavefront sensor
CN106908016A (en) * 2017-03-06 2017-06-30 中国科学院光电技术研究所 Concave cavity mirror curvature radius measuring method based on light field camera

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2710976C1 (en) * 2019-02-18 2020-01-14 Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" НП НЦ "ЛИТ" Device with spaced arms for measuring the radius of curvature of concave optical parts
RU2715434C1 (en) * 2019-07-19 2020-02-28 Некоммерческое партнерство "Научный центр "Лазерные информационные технологии" НП НЦ "ЛИТ" Method of restoring the shape of the aspherical surface of an optical part based on the parameters of the reflected wavefront, obtained by instruments with wavefront sensors (wfs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1869401B1 (en) Method for accurate high-resolution measurements of aspheric surfaces
CN102147240B (en) Method and device for measuring multiple element parameters in differential con-focus interference manner
US5581347A (en) Optimization method and device for direct measurement of an optical component
Schmitz et al. Uncertainties in interferometric measurements of radius of curvature
CN103983214B (en) A kind of device utilizing diffraction light-free to measure guide rail four-degree-of-freedom kinematic error
JP5896792B2 (en) Aspherical surface measuring method, aspherical surface measuring device, and optical element processing device
EP1209442A2 (en) Automated radius of curvature measurements
JP2013186017A (en) Aspheric surface shape measurement method, aspheric surface shape measurement device, optical element processing device and optical element
CN106595529B (en) Larger radius of curvature nonzero digit interferometric method and device based on virtual Newton's ring
RU2667323C1 (en) Method and device for differential determination of the radius of curvature of large-sized optical parts using the wavefront sensor
CN102128596A (en) Lens surface shape error detecting device and method thereof
KR20110065365A (en) Method and apparatus for measuring aspherical body
US6801323B2 (en) Methods and apparatus for interferometric dimensional metrology
RU2623702C1 (en) Device and method of determining curvature radius of large-sized optical parts on basis of wavefront sensor
CN110207587B (en) Method for measuring optical vertex of pyramid prism
US20030090678A1 (en) Rapid in situ mastering of an aspheric fizeau with residual error compensation
JP2015129667A (en) Measurement device and method for calibrating measurement device
Fortmeier et al. Steps towards traceability for an asphere interferometer
Beisswanger et al. Tilted wave interferometer in common path configuration: challenges and realization
Abe et al. Modeling and analysis on alignment error of four path step gauge interferometer
Scholz et al. Concept for improving the form measurement results of aspheres and freeform surfaces in a tilted-wave interferometer
CN204855140U (en) Three probe focus measuring device of grating chi based on compound lens method
Hofbauer et al. Deflectometric Acquisition of Large Optical Surfaces DaOS: Using a new physical measurement principle: vignetting field stop procedure
Gross et al. Testing the Geometry of Optical Components
CN105067229A (en) Grating ruler three-probe focal length measurement device and measurement method based on combined lens method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190706