ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СФЕРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01B5/28 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного определения радиуса кривизны сферической поверхности.

При создании современных машин и приборов во многих случаях требуется измерять с высокой точностью радиус кривизны поверхностей с высокой частотой обработки, например оптических линз, элементов прецизионных шарикоподшипников и т.п. При этом в ряде случаев не допускается использование контактных сферометров [1] из-за недостаточной их точности, невоспроизводимости результатов, опасности повреждения измеряемой поверхности.

Известен бесконтактный сферометр [2]содержащий установленные на оптической скамье микроскоп с источником оптического излучения, перемещаемый держатель контролируемой детали и связанный с ним штихмасс. Излучение источника падает на контролируемую поверхность, отражается и попадает в микроскоп, который в исходном положении детали сфокусирован на ее поверхность, а в последующем положении на ее центр кривизны. Радиус кривизны при этом равен расстоянию между упомянутыми положениями держателя контролируемой детали и определяется по показаниям штихмасса.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность контроля радиуса кривизны поверхности, обусловленная погрешностями фокусировки и измерения перемещения, а также погрешностями объектива с увеличенной апертурой, необходимого при контроле выпуклых поверхностей. Кроме этого, в известном устройстве невозможно разделить общие и местные отклонения радиусы кривизны.

Известен также интерференционный сферометр [3] который наиболее близок к изобретению содержит источник излучения, последовательно расположенные по ходу луча коллиматор, светоделитель, оптический клин с плоской опорной поверхностью, оптический стол для размещения контролируемой детали, установленной с возможностью поступательного перемещения в плоскости, параллельной опорной поверхности и снабженный измерительным преобразователем перемещений, и последовательно расположенные на выходе светоделителя в обратном ходе лучей объектив и приемник излучения (глаз оператора).

Известное устройство работает по методу интерференционных колец Ньютона [3] следующим образом. Световой пучок на выходе коллиматора разделяется на два пучка, отраженных соответственно от опорной и контролируемой поверхности, при этом на выходе объектива наблюдается интерференционная картина колец Ньютона. Исходному положению соответствует нулевое показание измерительного преобразователя перемещений при наблюдении центра интерференционной картины. Затем выполняется поступательное перемещение контролируемой детали, величина которого определяется показаниями измерительного преобразователя перемещений. Перемещение происходит до положения, когда приемник излучения зарегистрирует максимум (или минимум) интенсивности света в интерференционной картине. После этого перемещение возобновляется до последующего положения, когда будет пройдено целое число N интерференционных полос и приемник излучения вновь зарегистрирует максимум (или, соответственно, минимум) интенсивности света в интерференционной картине. Радиус кривизны R контролируемой поверхности определяется по формуле [3] в виде
R (1) где l₁ и l₂ показания измерительного преобразователя перемещений;
N число интерференционных полос,
λ- длина волны излучения.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения радиуса кривизны, обусловленная следующими причинами.

Вследствие ограниченной разрешающей способности и высокой трудоемкости подсчета числа полос N, это число обычно невелико. Поскольку из (1) очевидно, что для заданных значений l₁ и l₂ погрешность измерения радиуса кривизны δR равна
δR ≈ N (2) то малым значением N соответствует значительная погрешность δR. Кроме этого, в известном устройстве велика погрешность δN при визуальном наблюдении интерференционных колец, особенно при искажениях интерференционной картины в реальных условиях измерений.

Другими источниками погрешностей известного устройства является неточность исходного визуального наведения на центр интерференционных колец, влияние непараллельности направления перемещения по отношению к опорной плоскости, возможные сбои при подсчете числа интерференционных полос, приводящие к грубым промахам, а также малая скорость перемещения и, следовательно, повышенная длительность интервала и измерений, чувствительность к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.

Таким образом, известный интерференционный сферометр имеет недостаточную точность измерений радиуса кривизны.

Изобретение решает задачу повышения точности измерений радиуса кривизны за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов, повышения разрешающей способности и быстродействия процесса измерений.

Для решения этой задачи предлагаемое устройство, содержащее источник излучения, расположенные по ходу луча коллиматор, первый светоделитель, оптический плин с плоской опорной поверхностью, оптический стол для размещения контролируемой детали, установленный с возможностью поступательного перемещения в плоскости, параллельной опорной поверхности и снабженный измерительным преобразователем перемещений, и последовательно расположенные на выходе первого светоделителя в обратном ходе лучей первый объектив и первый приемник излучения, дополнительно снабжено вторым светоделителем, установленным на выходе первого светоделителя в прямом ходе лучей, вторым объективом и вторым приемником излучения, последовательно расположенными на выходе второго светоделителя в обратном ходе лучей, блоком обработки сигналов, к входам которого подключены выходы первого и второго приемников излучения, и вычислительным блоком, входы которого соединены с выходами обработки сигналов, оптический стол для размещения контролируемой детали установлен с возможностью осевого вращения, каждый из приемников излучения выполнен в виде многоэлементной светочувствительной матрицы, а источник излучения выполнен монохроматическим с последовательно устанавливаемыми различными длинами волн излучения.

В предлагаемом устройстве за счет использования дополнительно второго светоделителя, второго объектива и второго приемника излучения обеспечивается одновременное измерение в двух точках контролируемой поверхности, что сокращает интервал измерений и снижает влияние дестабилизирующих факторов по сравнению с известным устройством.

Использование двух многоэлементных приемников излучения и блока обработки сигналов позволяет повысить разрешающую способность устройства, увеличить диапазон изменения порядков интерференции N при одновременном снижении погрешности δN и, тем самым, согласно (2), принципиально снизить погрешность определения радиуса кривизны.

Использование вычислительного блока позволяет устранить влияние неидеальности интерференционной картины, повысить точность наведения на центр интерференционных колец и исключить погрешность от непараллельности направления перемещения по отношению к опорной плоскости, т.е. устранить источники погрешностей принципиально присущие известному устройству.

Использование оптического стола, установленного с возможностью осевого вращения контролируемой детали совместно с вычислительным блоком, позволяет уменьшить случайную составляющую погрешности за счет возможности усреднения результатов измерения, полученных на различных участках поверхности, а также разделить общие и местные отклонения радиуса кривизны.

Применение источника монохроматического излучения с несколькими последовательно устанавливаемыми различными длинами волн позволяет проводить измерения только в начальном и последующем положениях, без подсчета числа N интерференционных полос. Это снижает ограничения на скорость перемещения контролируемой детали между двумя ее положениями, устраняет сбои и промахи, характерные для известного устройства при подсчете числа N, дополнительно снижает чувствительность предлагаемого устройства к воздействию внешних дестабилизирующих факторов.

Таким образом, по сравнению с известным устройством предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерений радиуса кривизны контролируемой поверхности.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник излучения 1, последовательно расположенные по ходу оптического луча коллиматор 2, первый светоделитель 3, оптический клин 4 с плоской опорной поверхностью, оптический стол 5 для размещения контролируемой детали 15, установленный с возможностью поступательного перемещения в плоскости, параллельной опорной поверхности оптического клина 4, и снабженный измерительным преобразователем 6 перемещений, и последовательно расположенные на выходе первого светоделителя 3 в обратном ходе лучей первый объектив 7 и первый приемник излучения 8. При этом устройство дополнительно снабжено вторым светоделителем 9, вторым объективом 10, вторым приемником 11 излучения, блоком 12 обработки сигналов и вычислительным блоком 13.

Второй светоделитель 9 установлен на выходе первого светоделителя 3 в прямом ходе лучей, второй объектив 10 и второй приемник излучения 11 последовательно расположены на выходе второго светоделителя 9 в обратном ходе лучей. К выходам первого и второго приемников излучения 8 и 11 подключены входы блока 12 обработки сигналов, выходы которого соединены со входами вычислительного блока 13, причем оптический стол 5 установлен с возможностью дополнительного вращения относительно оси 14, каждый из приемников излучения 8 и 11 выполнен в виде многоэлементной светочувствительной матрицы, а источник излучения 1 выполнен монохроматическим с последовательно устанавливаемыми различными длинами волн излучения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пучок монохроматического излучения источника 1 расширяется коллиматором 2 и разделяется первым 3 и вторым 9 светоделителями на два пучка, падающих на опорную поверхность оптического клина 4 и далее на контролируемую поверхность детали 15.

Опорная и измерительная волны, образованные при отражении от опорной поверхности оптического клина 4 и контролируемой поверхности детали 15, интерферируют, и интерференционные картины на выходах первого и второго объективов 7 и 10 воспринимаются первым и вторым приемниками излучения, интерференционные фотоэлектрические сигналы которых обрабатываются в блоке 12 обработки и вычислительном блоке 13 с получением оценки значения радиуса кривизны сферической поверхности контролируемой детали 15.

Измерения происходят при двух положениях детали, обеспечиваемых оптическим столом 5 с возможностью поступательного перемещения. В первом положении (см.чертеж) первый приемник 8 излучения воспринимает интерференционную картину колец Ньютона, а второй приемник излучения 11 картину интерференционных полос. Во втором положении вершина сферической поверхности контролируемой детали 15 расположена в поле зрения второго приемника излучения 11, регистрирующего кольца Ньютона, при этом первый приемник излучения 8 регистрирует картину интерференционных полос.

В блоке обработки сигналов 12 в первом и втором положениях осуществляется помехоустойчивая фильтрация информативных составляющих, например, известным методом свертки, и аналого-цифровое преобразование интерференционных сигналов. Вычислительный блок 13 осуществляет восстановление значений разности фаз интерферирующих волн и положений х_о центра картины колец Ньютона. Алгоритм вычислений подробно рассмотрен, например, в работе [4]
В вычислительном блоке в результате определяется стрелка прогиба сферической поверхности как разность зазоров между опорной плоской поверхностью оптического клина 4 и контролируемой поверхностью детали 15 в двух точках, одной из которых является вершина сферы. Для однозначного определения значения Nλ= 2h в (1) измерения для каждого положения проводят в нескольких длинах волн, при использовании методики многоволновой интерферометрии.

Таким образом, применительно к предлагаемому устройству формула (1) преобразуется к более простому виду
(3) где l показания измерительного преобразователя перемещений 6 при переходе из первого положения (l₁ 0) во второе (l₂ l). В вычислительном блоке по формуле (3) можно определить искомое значение радиуса кривизны контролируемой поверхности.

В предлагаемом устройстве за счет использования увеличительных объектов 7 и 10, многоэлементных приемников излучения 8 и 11 и блока обработки сигналов обеспечивается высокая разрешающая способность при 10-20-кратном увеличении числа N и одновременном снижении погрешности δN на один-два порядка. В соответствии с (2) это позволяет принципиально уменьшить погрешность измерения в 10³-10⁴ раз по сравнению с известным устройством.

Использование возможности вращения контролируемой детали 15 относительно оси 14 при обработке совокупности данных в вычислительном блоке 13 позволяет выполнить усреднение результатов измерений по n участкам поверхности детали 15 и тем самым дополнительно уменьшить случайную составляющую погрешность при- мерно в раз.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными устройствами позволяет повысить точность измерения радиуса кривизны сферической поверхности.

Конкретными примерами отдельных элементов устройства являются следующие. Источник излучения 1 может представлять собой лазер с переключаемой длиной волны излучения или набор из нескольких лазеров, например, типа ЛГН-303А, настроенных на длину волны λ₁ 0,63 мкм и λ₂ 0,61 мкм.

Измерительный преобразователь перемещений 6 представляет собой лазерный интерферометр перемещений или иной датчик, например, растрового типа с диапазоном измерения перемещений до 60 мм.

Приемники излучения 8 и 11 являются однотипными и могут быть выполнены, например, на основе многоэлементных приборов с зарядовой связью.

Блок 12 обработки сигналов является двухканальным (или одноканальным с мультиплексированием) и содержит в своем составе, в частности, аналого-цифровой преобразователь.

Вычислительный блок 13 может быть построен, например, на основе микро-ЭВМ.

Характеристики остальных элементов устройства очевидным образом определяются их функциональным назначением и принципиальных особенностей не имеют.

Таким образом, использование в предлагаемом устройстве элементов 1-14 позволяет обеспечить высокоточный контроль и измерения радиуса кривизны сферических поверхностей.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтрольного определения радиуса кривизны сферической поверхности. Устройство содержит источник излучения, расположенные по ходу луча коллиматор, первый светоделитель, оптический клин с плоской опорной поверхностью, оптический стол для размещения контролируемой детали, установленный с возможностью поступательного перемещения в плоскости, параллельной опорной поверхности, и снабженный измерительным преобразователем перемещений, и последовательно расположенные на выходе первого светоделителя в обратном ходе лучей первый объектив и первый приемник излучения. При этом в устройстве дополнительно на выходе первого светоделителя в прямом ходе лучей установлен второй светоделитель, на выходе которого в обратном ходе лучей последовательно расположены второй объектив и второй приемник излучения. К выходам первого и второго приемников излучения подключены вход блока обработки сигналов, выходы которого соединены с входами вычислительного блока, причем оптический стол установлен с возможностью дополнительного осевого вращения, каждый из приемников излучения выполнен в виде многоэлементной светочувствительной матрицы, а источник излучения выполнен монохроматическим с последовательно устанавливаемыми различными длинами волн излучения. 1 ил.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СФЕРОМЕТР, содержащий источник излучения, расположенные по ходу луча коллиматор, первый светоделитель, оптический клин с плоской опорной поверхностью, оптический стол для размещения контролируемой детали, установленный с возможностью поступательного перемещения в плоскости, параллельной опорной поверхности, и снабженный измерительным преобразователем перемещений, и последовательно расположенные на выходе первого светоделителя в обратном ходе лучей первый объектив и первый приемник излучения, отличающийся тем, что он снабжен вторым светоделителем, установленным на выходе первого светоделителя в прямом ходе лучей, вторым объективом и вторым приемником излучения, последовательно расположенными на выходе второго светоделителя в обратном ходе лучей, блоком обработки сигналов, к входам которого подключены выходы первого и второго приемников излучения, и вычислительным блоком, входы которого соединены с выходами блока обработки сигналов, оптический стол размещения контролируемой детали установлен с возможностью осевого вращения, каждый из приемников излучения выполнен в виде многоэлементной светочувствительности матрицы, а источник излучения выполнен монохроматическим с последовательно устанавливаемыми различными длинами волн излучения.