НЕРАВНОПЛЕЧИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01B11/24 G01B9/02 

Предлагаемое техническое решение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для интерференционного контроля качества оптических поверхностей сложной формы, а именно торических поверхностей. Известен бесконтактный равноплечий интерферометр, разработанный Ю.В. Коломийцовым (на основе схемы Майкельсона) для контроля качества торических поверхностей /1/.

В нем используется двухфокусный объектив, составленный из неподвижной цилиндрической линзы, стоящей в параллельном пучке, и обычного микрообъектива, который в результате даст два изображения источника света (светящегося отверстия).

Первое изображение фокусируется объективом на вершину контролируемой поверхности, а второе - в один из центров ее кривизны. При этом в качестве эталона (поверхности сравнения) используется сферическое зеркало одинакового диаметра с изделием и близкого к нему радиуса кривизны (для одного из сечений тора). Отклонение кривизны дуги торического желоба от заданного значения определяется только для одного сечения, параллельного оси тора, по числу и форме интерференционных полос, наблюдаемых в поле зрения.

Данная конструкция имеет следующие недостатки.

1. Проецирование изображения на контролируемую поверхность не позволяет обнаруживать и оценивать отклонения величины радиуса кривизны тора от заданного значения во втором сечении, перпендикулярном оси тора.

2. Проецирование изображения источника света на контролируемую поверхность приводит к перевертыванию хода лучей, в результате чего в обратном ходе лучей невозможно определить местонахождение дефекта на поверхности - слева или справа от оси, а ошибки самой измерительной системы при таком ходе лучей могут взаимно компенсироваться и, следовательно, их невозможно учесть и исключить.

Кроме того, при этом не наблюдаются боковые участки поля зрения, а только узкая полоска в диаметральном сечении поверхности.

3. Отсутствует универсальность, т.к. эталон должен иметь одинаковый или близкий радиус кривизны с контролируемой поверхностью. Для контроля различных торических поверхностей потребуется изготовить соответствующее количество эталонов.

Наиболее близким известным техническим решением является неравноплечий интерферометр, содержащий источник излучений - лазер, расширитель пучка, светоделитель, плоское эталонное зеркало, микрообъектив и компенсатор, описанный в /2/. Он применяется для контроля плоских и вогнутых поверхностей тел вращения, сферических и асферических. Последние контролируются с помощью специального компенсатора, рабочая поверхность которого также является поверхностью вращения, причем геометрические оси всех этих поверхностей во время контроля должны быть совмещены. При этом качество контролируемой поверхности большого диаметра можно оценивать бесконтактно с помощью эталона малого диаметра, имеющего плоскую поверхность. Отклонение формы поверхности от заданной определяется по числу, расположению и искривлению интерференционных полос, наблюдаемых в поле зрения.

Недостатком этой конструкции является то, что подобные измерительные устройства создают только сферический или близкий к нему асферический волновый фронт, который попадает на проверяемую сферическую или асферическую поверхность строго по нормалям к ней, отражается и при обратном ходе лучей несет на себе "отпечаток" дефектов контролируемой поверхности. Поэтому эта конструкция интерферометра пригодна для контроля только сферических поверхностей тел вращения, причем таких, геометрические и оптические оси которых должны быть направлены вдоль оптической оси интерферометра.

Использование этой конструкции интерферометра для контроля торических поверхностей невозможно, поскольку последние имеют очень большие отклонения от обычных сфер и лучи из интерферометра попадают на торические поверхности уже не по нормалям, а под некоторыми углами, зачастую превышающими поле зрения интерферометра. Кроме того, одна из геометрических осей тора направлена перпендикулярно оптической его оси, поэтому часть отраженных лучей вообще не возвращается в прибор, а остальные создают в поле зрения хаотическую картину интерференционных полос, по которой невозможно определить качество контролируемой торической поверхности. Для контроля торических поверхностей требуется создать особый сложный (торический) волновый фронт, который невозможно получить с помощью известных конструкций неравноплечих интерферометров.

Решение задачи создания торического волнового фронта обеспечивается тем, что в известном неравноплечем интерферометре, содержащем источник излучения - лазер, расширитель пучка, светоделитель, плоское эталонное зеркало, микрообъектив, наблюдательную систему и компенсатор, расположенный в непараллельном (гомоцентрическом) ходе лучей, новым является то, что компенсатор выполнен в виде одной или двух цилиндрических линз, причем последние выполнены с возможностью поворота вокруг оптической оси в противоположные стороны на равные углы. Именно эти существенные отличия расширяют диапазон измерений неравноплечих интерферометров, т.к. создают в интерферометре торический волновый фронт.

Устройство представлено на фиг.1, где 1 - источник света - лазер, 2 - расширитель, 3 - светоделитель, 4 - эталонное плоское зеркало, 5 - микрообъектив, 6 - компенсатор - цилиндрическая линза, 7 - контролируемая торическая поверхность, 8 - телескопическая лупа, 9 - глаз наблюдателя.

Устройство работает следующим образом: параллельный пучок лучей выходит из лазера 1 (фиг.1), проходит через расширитель 2 и попадает на светоделитель 3. При этом часть пучка отражается на плоское эталонное зеркало 4, а остальная часть пучка проходит в микрообъектив 5. Далее лучи в виде расходящегося сферического волнового фронта проходят цилиндрическую линзу 6, преобразуются ею в расходящийся торический волновый фронт и попадают на подлежащую контролю торическую (вогнутую) поверхность 7.

Торическая поверхность устанавливается так, чтобы центры кривизны ее сечений O₁ и О₂ (сечение I с центром O₁ - в плоскости чертежа, сечение II с центром О₂ - в перпендикулярной чертежу плоскости и такое же расположение сечений на фиг.2, 3, 4) были совмещены с точками F₁ и F₂. Точка F₂ является мнимым изображением точки F₁, создаваемым цилиндрической линзой 6 в сечении II. В этом случае лучи попадают на торическую поверхность 7 по нормалям к любой ее точке и отражаются ею обратно в систему "цилиндрическая линза 6 - микрообъектив 5", которые в этом обратном ходе лучей превращают пучок, отраженный от торической поверхности, в параллельный. Далее на светоделителе 3 этот пучок отражается и направляется совместно с пучком, отраженным от эталонного зеркала 4 в наблюдательную систему "телескопическая лупа 8 - глаз 9", образуя в приемнике (глаз 9) интерференционную картину. По виду этой картины - числу и конфигурации наблюдаемых интерференционных полос судят о качестве торической поверхности.

Пример конкретного выполнения:
1. Выполняем расчет рабочих фокальных отрезков "с" и "d" для цилиндрической линзы в соответствии со значениями радиусов кривизны "R₁" и "R₂" заданного тора и "f" собственного фокусного расстояния линзы по формуле (1).

2. Устанавливаем торическую поверхность 7 на расстоянии R (в сечении I) от изображения точки F₁ (учитывая удлинение хода луча в линзе 6), совмещая тем самым центр кривизны O₁ с F₁.

3. Устанавливаем цилиндрическую линзу 6 на расстоянии "с" от изображения точки F₁, создавая тем самым во втором сечении II второе изображение (мнимое) точки F₂ на расчетном расстоянии "-d". Если торическая поверхность изготовлена в соответствии с заданием, то центр кривизны О₂ второго сечения совпадает с F₂. При этом все лучи, вышедшие из объектива 5 и прошедшие сквозь цилиндрическую линзу 6, попадут на подлежащую контролю торическую поверхность 7 в каждой ее точке строго по нормалям. После отражения от нее лучи совершат свой ход в обратном порядке, создадут в O₁ изображение точки и, пройдя микрообъектив 5, на светоделителе 3 встретятся с пучком лучей, отраженных от плоской эталонной поверхности 4. Волновые фронты этих пучков создают интерференционную картину, рассматриваемую с помощью телескопической лупы 8 глазом 9 либо на экране (не показан).

На фиг.2 и 3 показаны схемы пользования интерферометром для контроля торических поверхностей - выпукло-вогнутой (фиг.2) и выпуклой (фиг.3). При контроле выпуклого тора в состав компенсатора вводится дополнительная сферическая линза 5а, переносящая изображение точки F₁ в F'₁, относительно которой и устанавливается контролируемый тор на расстоянии R₁.

В случае, когда разность радиусов кривизны торической поверхности достаточно велика (1000 мм и более) при значительной величине самих радиусов (1000 мм и более), целесообразно применить компенсатор, состоящий из двух одинаковых цилиндрических линз (фиг. 4, поз.10 и 11), способных поворачиваться вокруг оптической оси в разные стороны на одинаковые углы, величина которых определяется по лимбу 12. В зависимости от угла поворота фокусное расстояние такого компенсатора будет плавно изменяться в необходимых пределах, например от f_ϕ = f_o до f_ϕ = ∞ в каждом из взаимно перпендикулярных сечений согласно формулам (3) и (4) для одинаковых линз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ю.В. Коломийцов. Интерферометры. Л., Машиностроение, 1976, 296 стр.

2. Оптический производственный контроль под редакцией Д. Малакары. Пер. с английского С.В. Мазуровой и др. под ред. А.Н. Соснова. М., Машиностроение, 1985, 400 стр.

Неравноплечий интерферометр для контроля торических поверхностей содержит лазер, расширитель пучка, светоделитель, плоское эталонное зеркало, наблюдательную систему, объектив и компенсатор, состоящий из одной или двух цилиндрических линз, находящихся в непараллельном ходе лучей. Компенсатор размещен в расходящемся пучке лучей, а две цилиндрические линзы компенсатора выполнены с возможностью поворота вокруг оптической оси в противоположные стороны на равные углы. Технический результат - создание торического волнового фронта. 4 ил.

Неравноплечий интерферометр для контроля торических поверхностей, содержащий источник излучения - лазер, расширитель пучка, светоделитель, плоское эталонное зеркало, наблюдательную систему, объектив и компенсатор, состоящий из одной или двух цилиндрических линз, находящихся в непараллельном ходе лучей, отличающийся тем, что компенсатор размещен в расходящемся пучке лучей, а две цилиндрические линзы компенсатора выполнены с возможностью поворота вокруг оптической оси в противоположные стороны на равные углы.