מד הקוטר הכדורי האוטומטי המלא הוא התקן בדיקה אופטי המשמש למדידת-דיוק גבוה של רדיוס העקמומיות, אורך המוקד ושגיאת הכדוריות של משטחים כדוריים (משטחים קמורים/קעורים). עיקרון הליבה שלו מרוכז סביב שני מודולים עיקריים: "מיפוי פרמטרים אופטי" ו"שליטה אוטומטית מדויקת", אותם ניתן לחלק באופן ספציפי לשלושה קישורים מרכזיים:
1. עקרון זיהוי אופטי בסיסי: ניכוי הפוך של פרמטר המבוסס על אופטיקה גיאומטרית ואפקטים של הפרעות
הליבה טמונה בבניית "נתיב אופטי ידוע" דרך מערכת אופטית, תוך ניצול מאפייני ההשתקפות/השבירה של המשטח הכדורי הנמדד כדי להמיר "פרמטרים גיאומטריים כדוריים (כגון רדיוס עקמומיות)" ל"אותות אופטיים ניתנים למדידה (כגון מיקום נקודתי, שולי הפרעות)", ולאחר מכן להסיק באמצעות מודל מאט של היעד. הנתיבים הטכניים המרכזיים מחולקים לשתי קטגוריות:
שיטת קולימציה אוטומטית (מתאימה למדידה מהירה ברמת דיוק בינונית ונמוכה)
תכנון נתיב אופטי: האור המקביל הנפלט ממקור האור הקולימטיבי (כגון He-Ne לייזר) מוחזר על ידי מפצל האלומות ואז נופל בניצב על פני השטח הכדוריים שיש למדוד.
יצירת אותות: אם אור מקביל נופל על משטח כדורי קמור, האור המוחזר יתכנס ל"מרכז העקמומיות" של המשטח. כאשר נופל על משטח כדורי קעור, האור המוחזר מתרחק ויוצר מוקד וירטואלי (שווה ערך לנפלט ממרכז העקמומיות).
חישוב פרמטרים ההתקן לוכד את המיקום של נקודת המיקוד של האור המוחזר באמצעות חיישן תמונה CCD-בדיוק גבוה. על ידי שילוב הפרש המרחק בין "מישור הייחוס (כגון מישור המוקד של העדשה הקולימית המובנית במכשיר)" לבין "נקודת הפוקוס", והחלפתו בנוסחה R=2×(L - f₀) (כאשר R הוא רדיוס העקמומיות, L הוא המרחק הנמדד, ו-f₀ של העקמומיות הקוליים הוא העקמומיות הישירות של העדשה), הסיק.
אינטרפרומטריה (מתאימה לזיהוי-דיוק גבוה, עם דיוק של ±0.1מיקרומטר)
תכנון נתיב אופטי: הנתיב האופטי להפרעות של מיכלסון מאומץ כדי לחלק את מקור האור המאוחסן לשתי אלומות - קרן אחת תקועה על "מראה מישור הייחוס" (מישור סטנדרטי), והקרן השנייה תקועה על ה"משטח הכדורי הנמדד". לאחר שילובם מחדש של שתי קרני האור המוחזרות, נוצרים "שולי הפרעות-שווים בעובי" עקב ההבדל בנתיב האופטי.
ניתוח אותות: שינויים בעקמומיות של המשטח הכדורי יגרמו לשינויים ב"צורה (כגון מעגלית או אליפטית)" ו"מרווח" של שולי ההפרעה - אם העקמומיות של המשטח הכדורי אחיד, השוליים יהיו מעגלים קונצנטריים. אם יש שגיאת כדוריות (כגון בליטות/שקעים מקומיים), הפסים יעברו או יעוותו.
חישוב פרמטרים התוכנה מזהה אוטומטית את המיקום המרכזי של שולי ההפרעה ואת מרווח השוליים. בשילוב עם אורך הגל (כגון אורך גל הלייזר של 632.8 ננומטר), הפרש הנתיב האופטי נגזר באמצעות "הפרש הסדר השולי", ולאחר מכן מומר לרדיוס העקמומיות ושגיאת המעלות הכדורית. הליבה של גזירת הנוסחה מבוססת על הפרש הנתיב האופטי=2×Δh=k×λ (Δh הוא הפרש הגובה בין המשטח הכדורי למשטח הייחוס). k מייצג את סדר השוליים ו-λ מייצג את אורך הגל של מקור האור.
2. מודול אוטומציה: הסר שגיאות ידניות והשיג שליטה מדויקת לאורך כל התהליך
בניגוד למגבלות של מדי קוטר כדור ידניים המסתמכים על מיקוד וקריאה ידניים, מדי קוטר כדור אוטומטיים לחלוטין משיגים פיצוי שגיאות ואוטומציה של תהליכים באמצעות "בקרה מכטרונית". טכנולוגיות הליבה כוללות שלוש נקודות:
יישור ומיקוד אוטומטיים
מצויד ב"מסילות מובילות חשמליות מדויקות" (דיוק מיקום חוזר פחות מ-0.05 מיקרומטר או שווה ל-0.05 מיקרומטר) ו"חיישני תזוזת לייזר", הוא יכול לכוונן באופן אוטומטי את המיקום היחסי בין המשטח הכדורי הנמדד והמערכת האופטית כדי להבטיח שהאור הנכנס יהיה בניצב לקודקוד המשטח הכדורי (הימנעות מטעויות מדידה הנגרמות על ידי תקלות).
מערכת המיקוד האוטומטי- אוספת את הבהירות של נקודת האור בזמן אמת דרך ה-CCD ומתאים אוטומטית את אורך המוקד של העדשה על סמך "אלגוריתם חדות הקצה", כך שנקודת המיקוד של האור המוחזר נמצאת על משטח ההדמיה האופטימלי של החיישן. דיוק המיקוד יכול להגיע ל-±0.01 מיקרומטר.
איסוף וניתוח נתונים אוטומטיים
אין צורך בקריאה ידנית: חיישן ה-CCD אוסף אותות אופטיים בתדר מוגדר מראש (כגון 10 פריימים לשנייה), והתוכנה מסננת באופן אוטומטי רעשים (כגון הפרעות אור הסביבה) ומחלצת אותות יעילים (כגון פרופילי שולי הפרעות, קואורדינטות של נקודות מיקוד).
חישוב וכיול בזמן אמת: מובנה-ב"מסד נתונים סטנדרטיים של כדורים" (כגון כדורי קוורץ סטנדרטיים עם רדיוס עקמומיות ידוע), קורא אוטומטית לכדורים הסטנדרטיים עבור "כיול שגיאות שיטתי" (מפצה על שגיאות כגון מרווח מסילות מדריך והיסט נתיב אופטי) לפני המדידה, ומזין את הנתונים במהלך מדידת הדיוק של הפרמטרים.
פלט הצמדה מרובה-פרמטרים
מדידה אחת יכולה להפיק בו זמנית פרמטרים כגון "רדיוס עקמומיות (R), אורך מוקד (f, מבוסס על הנוסחה f=R/(n-1), כאשר n הוא מקדם השבירה של החומר), שגיאת כדוריות ועובי קודקוד", ללא צורך להחליף מצבי מדידה מספר פעמים.
תומך בייצוא נתונים אוטומטי (כגון בפורמטים של Excel ו-CAD), ומייצר "דוחות ניתוח שגיאות" (כגון דפוסי שוליים הפרעות ועקומות התפלגות עקומות), העומדים בדרישות העקיבה האיכותיות של ייצור רכיבים אופטיים.
3. עיקרון יתרון מרכזי: מדוע ציוד מעולה על פני ציוד ידני?
יתרונותיו בדייקנות וביעילות נובעים מ"בקרת שגיאות ברמה העקרונית":
הימנע משגיאות מיקוד ידניות: התקנים ידניים מסתמכים על עיניים אנושיות כדי לקבוע את נקודת המיקוד, עם שגיאה של עד ±5 מיקרומטר, בעוד שמכשירים אוטומטיים מלאים מתמקמים במדויק באמצעות אלגוריתמים, ומפחיתים את השגיאה ל-±0.01 מיקרומטר.
הסר הפרעות סביבתיות:-מודול טמפרטורה קבועה מובנה (דיוק בקרת טמפרטורה ±0.1) מפצה על התרחבות והתכווצות תרמית של חומרים, והתכנון האוטומטי הסגור של הנתיב האופטי מפחית את השפעת זרימת האוויר והרעידות על הנתיב האופטי.
שיפור יכולת החזרה: שגיאת החזרה של מדידה ידנית היא בדרך כלל גדולה מ-0.5%, בעוד שציוד אוטומטי מלא, באמצעות תהליכים סטנדרטיים, יכול לשלוט על שגיאת החזרה תוך פחות מ-0.05%.
