СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ НЕПЛОСКОСТНОСТИ КОЛЬЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01B9/25 

Изобретение относится к области современного оптического приборостроения и может быть использовано в технологических измерительных целях для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей, а также для контроля неплоскостности поверхности полированных металлических и графитовых изделий, например втулок, колец и т.д. Изобретение может также найти эффективное применение при контроле неплоскостности кольцевых поверхностей деталей контактных уплотнителей в авиадвигателе - и моторостроении, в металлооптике и в других областях. Появляется реальная возможность, впервые на практике, контролировать поверхности деталей с различными упрочняющими типами покрытий: хромомолибденовое, азотированное и другие, а также самых сложных рассеивающих поверхностей кольцевых графитовых изделий.

Известен способ контроля (см. Оптический производственный контроль. - М.: Машиностроение, 1985 г., под ред. Д. Малакары, с. 43 - аналог), в котором используют квазимонохроматический источник излучения, светоделитель и зеркала, посредством которых формируют опорную и объектную ветви, объектив в объектной ветви между светоделителем и контролируемой зоной и зону наблюдения интерферограммы.

Известен голографический способ контроля (см. Оптический производственный контроль. - М.: Машиностроение, 1985 г., под ред. Д. Малакары, с. 299 - прототип), в котором используют когерентный источник излучения (лазер), светоделитель, посредством которого формируют опорную и объектную ветви, систему зеркал в опорной ветви, объектив в объектной ветви между светоделителем и контролируемой зоной (деталью) и узел голограммы.

Недостатком первого способа контроля является то, что из-за ограниченной временной когерентности источника излучения на практике его весьма сложно применять для контроля неплоскостности поверхностей металлических и графитовых изделий. Недостаток голографического способа контроля заключается в том, что при получении голографической интерферограммы контролируемой поверхности используют эталонную голограмму и освещают ее на стадии восстановления волновых фронтов как опорной волной, так и объектной волной, отраженной от контролируемой поверхности. За счет этого усложняется техника оптического контроля, а также при реализации способа на практике не достигается компенсация аберраций оптической системы. В таком варианте весьма сложно реализовать этот способ для контроля неплоскостности поверхностей, имеющих кольцевую форму.

Однако на практике представляет большой интерес создание способа голографического контроля неплоскостности кольцевых поверхностей, в котором бы реализовался двухэкспозиционный метод записи голограммы и имелась бы реальная возможность контролировать неплоскостность кольцевых рассеивающих поверхностей, контроль которых невозможен посредством известных способов и приборов.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение технологической возможности способа голографического контроля неплоскостности кольцевых поверхностей деталей, изготовленных из металлических и графитовых материалов, а также поверхностей, имеющих различные типы упрочняющих покрытий, применяемых при изготовлении кольцевых уплотнителей различного назначения.

Технический результат достигается тем, что в способе голографического контроля неплоскостности кольцевых поверхностей путем формирования первого опорного пучка посредством светоделителя и зеркала и объектного пучка, включающего проекционный объектив, рабочую зону, и узла регистрации голограммы, отличающийся тем, что формируют второй опорный пучок за счет введения оптически связанной между собой системы зеркал, вводят экранирующую шторку, имеющую отверстие в центре, и размещают с возможностью вывода из объектного пучка, непрозрачную шторку размещают в первом опорном пучке, систему зеркал второго опорного пучка устанавливают между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, экранирующую шторку устанавливают между проекционным объективом и рабочей зоной, а непрозрачную шторку устанавливают перпендикулярно оптической оси между светоделителем и зеркалом первого опорного пучка с возможностью вывода ее из первого опорного пучка при регистрации голограммы, причем диаметр зеркала второго опорного пучка выбирают равным диаметру отверстия экранирующей шторки, проекционный объектив устанавливают с возможностью построения изображения контролируемой детали в обратном ходе рассеянных на ее поверхности световых лучей размером, равным диаметру второго опорного пучка, а диаметр непрозрачной шторки выбирают равным диаметру зеркала первого опорного пучка.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлена принципиальная схема оптической системы голографического интерферометра, реализующего предлагаемый способ контроля.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - лазер;

2 - коллиматор;

3 - светоделитель;

4 - проекционный объектив объектной ветви;

5 - шторка с отверстием в центре объектной ветви;

6 - контролируемая поверхность с отверстием в центре объектной ветви W_об;

7 - первое зеркало второй опорной ветви W_оп2;

8 - второе зеркало второй опорной ветви W_оп2;

9 - третье зеркало второй опорной ветви W_оп2;

10 - узел регистрации голограммы;

11 - непрозрачная шторка первой опорной ветви W_оп1;

12 - зеркало первой опорной ветви.

Голографический интерферометр, посредством которого реализуется предлагаемый способ контроля, содержит оптически связанные лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3 для образования объектной и опорных ветвей, проекционный объектив 4 объектной ветви, шторку с отверстием в центре 5 объектной ветви, рабочую зону 6 для установки контролируемой детали, систему зеркал второй опорной ветии, состоящей из первого зеркала 7, второго 8 и третьего 9 зеркал, непрозрачной шторки 11 первой опорной ветви и зеркала 12 первой опорной ветви.

Отличием предлагаемого способа контроля является то, что проекционный объектив 4 устанавливают с возможностью построения изображения детали 6 в обратном ходе рассеянных световых лучей диаметром, равным диаметру второго опорного пучка.

В объектном пучке устанавливают шторку 5 с отверстием в центре и выполняют с возможностью вывода ее из объектного пучка.

Между рабочей зоной 6 и узлом регистрации голограммы 10 устанавливают систему зеркал 7, 8 и 9, формирующей вторую опорную ветвь.

Между светоделителем 3 и зеркалом 12 первой опорной ветви устанавливают непрозрачную шторку 11 с возможностью вывода ее из опорного пучка, а диаметр шторки 11 выбирают равным диаметру зеркала 12.

Принцип действия изобретения заключается в следующем. Когерентное излучение от лазера 1 вводят в коллиматор 2. На выходе коллиматора формируют коллимированный пучок световых лучей. С помощью светоделительной пластины 3 пучок делят на опорный W_оп и объектный W_об пучки, соответственно. Эти пучки поступают в объектную и опорную ветви интерферометра. Пучок опорной ветви в дальнейшем будем называть первым опорным пучком W_оп1. Пучок объектной ветви интерферометра - W_об пучок.

Объектный пучок W_об направляют в объектив 4 и освещают контролируемую кольцевую поверхность 6. При этом непрозрачную шторку 5 с отверстием в центре выводят из объектного пучка. Отраженные от поверхности 6 световые лучи в обратном ходе поступают в апертуру объектива 4, который строит изображение в плоскости голограммы 10 с необходимым масштабом изображения.

Вторую часть светового пучка объектной ветви, прошедшую сквозь отверстие кольцевой поверхности, с помощью системы зеркал 7, 8 и 9 направляют в плоскость регистрации голограммы 10. Этот пучок выполняет роль второго опорного пучка W_оп2. По форме пучок W_оп2 может быть слаборасходящимся или коллимированным световым пучком. Для получения коллимированного пучка дополнительно вводят объектив, переднюю фокальную плоскость которого совмещают с задней фокальной плоскостью объектива 4. Проекционный объектив 4 строит изображение детали в плоскости регистрации голограммы размером, равным диаметру второго опорного пучка W_оп2.

Первый опорный пучок W_оп1 (при выведенной из пучка шторки 11) поступает на зеркало 12 и, отразившись от него, поступает в плоскость регистрации голограммы 10.

Для контроля плоскостности кольцевых поверхностей в предлагаемом изобретении голограмму получают двухэкспозиционным методом.

За время первой экспозиции в первой опорной ветви интерферометра непрозрачную шторку 11 выводят из опорного пучка W_оп1. В объектном пучке W_об шторку 5 с отверстием в центре устанавливают перед контролируемой деталью 6. При таком расположении шторок 11 и 5 в плоскости регистрации 10 интерферируют два опорных пучка W_оп1 и W_оп2.

За время второй экспозиции в первой опорной ветви шторку 11 устанавливают перед зеркалом 12. В объектной ветви шторку 5 с отверстием в центре выводят из объектной ветви. При этом в плоскости регистрации 10 интерферируют объектный W_об и второй опорный W_оп2 световые пучки.

При реконструкции волновых фронтов с голограммы ее просвечивают только вторым опорным пучком W_оп2 падающим на голограмму под углом 6, равным углу голографирования. Восстановленные W′_оп1 и W′_об пучки при наложении образуют голографическую интерферограмму, характеризующую неплоскостность кольцевой поверхности.

Реализация в предлагаемом изобретении двухэкспозиционного метода записи голограммы при контроле неплоскостности кольцевых поверхностей, изготовленных из различных материалов (металл, графит и др.) и имеющих различные покрытия, сохраняет основные достоинства метода голографической интерферометрии: компенсацию аберраций оптической системы и исключение влияния локальных дефектов оптических элементов на качество контролируемого волнового фронта.

Экспериментальная апробация посредством предлагаемого способа контроля и голографического интерферометра на его основе показала его работоспособность.

На фиг. 2 приведена интерферограмма контролируемой металлической детали (кольцо уплотнителя). На фиг.3 проиллюстрирована топограмма ее волновой поверхности.

Таким образом, подтверждается эффективность предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей. В способе голографического контроля формируется первый опорный пучок с помощью светоделителя и зеркал и объектный пучок, включающий проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы. Кроме того, формируют второй опорный пучок за счет введения оптически связанной между собой системы зеркал, вводят экранирующую шторку, имеющую отверстие в центре, и размещают с возможностью вывода из объектного пучка, непрозрачную шторку размещают в первом опорном пучке, систему зеркал второго опорного пучка устанавливают между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, экранирующую шторку устанавливают между проекционным объективом и рабочей зоной, а непрозрачную шторку устанавливают перпендикулярно оптической оси между светоделителем и зеркалом первого опорного пучка с возможностью вывода ее из первого опорного пучка при регистрации голограммы. Технический результат - контроль величины неплоскостности полированных металлических и графитовых поверхностей деталей. 3 ил.

Способ голографического контроля неплоскостности кольцевых поверхностей путем формирования первого опорного пучка с помощью светоделителя и зеркал и объектного пучка, включающего проекционный объектив и рабочую зону, и узла регистрации голограммы, отличающийся тем, что формируют второй опорный пучок за счет введения оптически связанной между собой системы зеркал, вводят экранирующую шторку, имеющую отверстие в центре, и размещают с возможностью вывода из объектного пучка, непрозрачную шторку размещают в первом опорном пучке, систему зеркал второго опорного пучка устанавливают между рабочей зоной и узлом регистрации голограммы, экранирующую шторку устанавливают между проекционным объективом и рабочей зоной, а непрозрачную шторку устанавливают перпендикулярно оптической оси между светоделителем и зеркалом первого опорного пучка с возможностью вывода ее из первого опорного пучка при регистрации голограммы, причем диаметр зеркала второго опорного пучка выбирают равным диаметру отверстия экранирующей шторки, проекционный объектив устанавливают с возможностью построения изображения контролируемой детали в обратном ходе рассеянных на ее поверхности световых лучей размером, равным диаметру второго опорного пучка, а диаметр непрозрачной шторки выбирают равным диаметру зеркала первого опорного пучка.