Устройство для контроля поверхностей Советский патент 1992 года по МПК G01B11/24 G01B9/21 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контрольно-измерительным приборам на основе средств голографии, и может быть использовано в оптическом приборостроении при изготовлении и аттестации сферических поверхностей оптических элементов,

Известна конструкция автоколлимационного устройства для бесконтактного измерения радиусов сфер (С.В.Кулагин и др., Оптико-механические приборы - М., Машиностроение, 1984, с. 68-69), принцип работы которого состоит в следующем. По направляющим станины перемещается передняя бабка с визирным и отсчетным микроскопами. Визирный микроскоп снабжен автоколлимационным окуляром, а отсчетный - спиральным окулярным микрометром. Заднюю бабку закрепляют на направляющих и в ее держатель устанавливают измеряемую деталь. Радиус кривизны поверхности определяется как разность отсчетов по горизонтальной шкале станины с помощью отсчетного микроскопа при наведении визирного микроскопа на резкое автоколлимационное изображение сетки микроскопа и на резкое автоколлимационное изображение поверхности стекла.

Недостатком известного автоколлимационного устройства является использование для определения начала и конца отсчета метода резких автоколлимационных изображений сетки микроскопа и поверхности измеряемой детали, отличающегося существенно меньшей точностью по сравнению с интерференционными методами. К недостаткам следует отнести также то, что при проведении измерений таким способом необходимо осуществлять перемещение передней бабки на расстояние, равное измеряемому радиусу, в связи с чем устройство должно быть оснащено высокоточными направляющими и измерительной шкалой большой длины (до 6 м). Последнее обстоятельство существенным образом увеличивает риск ошибки измерений, себестоимость и габариты прибора, а также снижает технологичность процесса измерений.

Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интерферометр Физо (Д. Малакара, Оптический производственный контроль. - М, Машиностроение, 1985, с. 23-34), состоящий из лазера, коллиматора, светоделителя, эталонной плоскости, объектива и держателя контролируемой сферической поверхности, а также содержащий систему регистрации, состоящую из объектива и оптически сопряженного с контролируемой поверхностью экрана. Принцип работы интерферометра состоит в следующем. Излучение лазера, пройдя последовательно установленные коллиматор и светоделитель, падает на эталонную плоскость, служащую для формирования опорной волны интерферометра путем частичного автоколлимационного отражения падающего на него параллельного пучка излучения лазера. Прошедшая через эталонную плоскость часть излучения фокусируется объективом, падает на контролируемую сферическую поверхность, автоколлимационно отражается от нее и в дальнейшем используется в качестве объектной волны. Эта волна в обратном ходе проходит объектив и эталонную плоскость, отражается от светоделителя и также падает на систему регистрации. Наблюдаемая в

системе регистрации картина интерференции опорной и объектной волн позволяет оценить качество изготовления контролируемой поверхности. Снабдив установку устройством для измерения длины, ее можно использовать для контроля радиусов кривизны поверхностей. При это контролируемая поверхность сначала устанавливается в фокусе объектива, а затем смещается вдоль

оптической оси до получения автоколлимационного хода лучей объектной ветви интерферометра. Величина смещения соответствует радиусу кривизны контролируемой сферической поверхности.

Недостатком указанного технического решения является то, что вследствие использования в объектной ветви интерферометра объектива точность контроля качества сферической поверхности существенным образом ограничивается качеством изготовления данного объектива, а точность контроля радиуса кривизны ограничивается необходимостью осуществления перемещения контролируемой поверхности на расстояние, равное измеряемому радиусу кривизны.

Поставленная цель достигается тем, что 8 известное устройство, содержащее последовательно расположенные лазер, коллиматор, светоделитель, образцовый элемент с двумя плоскими поверхностями, одна из которых является эталонной, установленный эталонной поверхностью к контролируемой поверхности держатель контролируемой

поверхности и систему регистрации, состоящую из последовательно размещенных по ходу отраженного от светоделителя потока излучения объектива и экрана, установленного в плоскости регистрации интерференцирнной картины, оптически сопряженной с контролируемой поверхностью, согласно заявляемому изобретению дополнительно введен синтезированный голограммный оптический элемент (СГОЭ), выполненный на

эталонной плоской поверхности образцового элемента в виде двух соосно расположенных центральной круговой и периферийной кольцевой осевых синтезированных голограмм, распределение радиусов колец которых определяется выражением

(/От, )2 + 2 - fi A т, (1) где рт - радиус т-го кольца голограммы (т 0,1,2.,);

fi - фокальные отрезки голограммы;

А-длина волны излучения,

а контролируемая сферическая поверхность установлена от СГОЭ на расстоянии, равном фокальному отрезку центральной круговой голограммы.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - наблюдаемая на экране регистрации интерференционная картина.

Устройство для контроля сферических поверхностей содержит следующие после- довательно установленные элементы: лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3, образцовый элемент4 с выполненным на его эталон- ной плоской поверхности СГОЭ 5 и держатель 6 с контролируемой сферической поверхностью, а также систему регистрации, состоящую из объектива 7 и оптически сопряженного с контролируемой поверхностью экрана 8.

Заявляемое устройство работает следу- ющим образом.

Пучок излучения лазера 1, расширенный коллиматором 2, проходит светоделитель 3 и падает на образцовый элемент 4. Пройдя первую по ходу излучения плоскую поверхность образцового элемента 4, пучок падает на эталонную плоскую поверхность образцового элемента 4. Автоколлимацион- но отразившаяся от эталонной поверхности часть излучения падает на светоделитель 3 и отражается от него на объектив 7 системы регистрации, Эта волна используется в качестве опорной волны интерферометра.

Часть излучения, прошедшая через эталонную плоскую поверхность 4, дифрагиру- ет на структуре выполненного на ней синтезированного голограммного оптического элемента 5. СГОЭ изготовлен таким образом, что фокальные отрезки fi цент - ральной круговой и f2 периферийной коль- цевой голограмм удовлетворяли соотношению

+/fl - f2/ R,(2)

где R- радиус контролируемой сферической поверхности.

В первом порядке дифракции излучение фокусируется центральной круговой и периферийной кольцевой голограммами соответственно на расстояния fi и fa от эталонной плоской поверхности образцового элемента 4. Эта волна автоколлимационно отражается от контролируемой поверхности, держатель 6 с которой устанавливается таким образом, чтобы расстояние от эталонной плоскости 4 с выполненным на ней СГОЭ 5 до вершины контролируемой поверхности равнялось фокальному отрезку центральной круговой синтезированной голограммы fi (позиция 6 на фиг. 1). В обратном ходе она проходит СГОЭ 5, образцовый элемент 4 и отражается от светоделителя 3 на объектив 7 системы регистрации. Картина интерференции этой (объектной) и опорной волн интерферометра, наблюдаемой на экране 8 системы регистрации (фиг. 2) позволяет судить о радиусе кривизны и качестве изготовления контролируемой сферической поверхности. В случае соответствия радиуса кривизны расчетному значению и качественного изготовления контролируемой поверхности в центральной круговой и периферийной кольцевой зонах интерференционной картины одновременно наблюдаетсясистемапрямыхинтерференционных полос. Отступление радиуса кривизны поверхности от расчетного приводит к появлению в периферийной зоне интерференционной картины искривления полос. Перемещая держатель б с кон- тролируемой поверхностью вдоль оптической оси добиваются выпрямления интерференционных полос в этой зоне. Величина перемещения держателя 6 соответствует отступлению реального радиуса кривизны от расчетного, причем эта величина значительно меньше контролируемого радиуса, что повышает точность измерения. Наблюдаемая в периферийной кольцевой зоне система интерференционных полос позволяет судить о качестве изготовления контролируемой поверхности. (Д. Малака- ра, Оптический производственный контроль. - М., Машиностроение, 1985, с. 57-66). Для контроля качества поверхности держатель 6 контролируемой поверхности устанавливается таким образом,. чтобы центр кривизны контролируемой поверхности совпал с фокусом центральной круговой синтезированной голограммы СГОЭ 5 (позиция 6 на фиг. 1). Таким образом осуществляется одновременный контроль качества изготовления и радиуса кривизны сферической поверхности, то есть увеличивается количество одновременно контролируемых параметров.

С целью проверки работоспособности заявляемого устройства был изготовлен СГОЭ для контроля сферических поверхностей с радиусом кривизны 10 мм. Проведенная серия экспериментов показала, что точность контроля радиуса кривизны не ниже 0,01 %, а качество поверхности - 0,1 А . При этом, благодаря конструктивным особенностям устройства(использование в качестве формирующего волной фронт элемента СГОЭ, характеризующегося практическим отсутствием остаточных аберраций) и измерению отклонения реального радиуса кривизны контролируемой сферической поверхности от расчетного значения, недостатки, характерные для прототипа, отсутствуют.

Формула изобретения Устройство для контроля поверхностей, содержащее последовательно расположенные лазер, коллиматор, светоделитель, образцовый элемент с двумя плоскими поверхностями, одна из которых выполнена эталонной, установленный поверхностью противоположной эталонной к светоделителю, держатель контролируемой поверхности и последовательно размещенные в ходе второго потока от светоделителя объектив и экран, установленный в плоскости регистрации интерференционной картины, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности контроля и увеличения количества контролируемых параметров выпуклых поверхностей, образцовый элемент выполнен с синтезированным голограммным оптическим элементом в виде двух соосно распо0

5

ложенных центральной круговой и периферийной кольцевой осевых синтезированных голограмм на эталонной поверхности, распределение радиусов колец которых определяется выражением

(pmi)2 + fi2 1/2-fi A m, где радиус m-го кольца голограммы

(т-1,2...);

fi - фокальные отрезки голограмм;

Я- длина волны излучения, а держатель установлен от голограммного элемента на расстоянии, равном фокальному отрезку центральной круговой голограммы.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контрольно-измерительным приборам с галограммными элементами, и может быть использовано в оптическом приборостроении при изготовлении и аттестации сферических поверхностей оптических элементов. Цель изобретения - повышение точности контроля и расширение количества одновременно контролируемых параметров. Пучок света проходит первую по ходу излучения плоскую поверхность образцового элемента и падает на его эталонную поверхность. Авто- коллимационно отразившаяся от поверхности часть излучения падает на светоделитель и отражается от него на объектив системы регистрации. Эта волна используется в качестве опорной волны интерферометра. Часть излучения, прошедшая через эталонную поверхность, дифрагирует на структуре синтезированного голограммного оптического элемента, выполненного таким образом, чтобы фокальные отрезки fi центральной круговой и f2 периферийной кольцевой голограмм удовлетворяли соотношению ±(fi - f2) R, где R - радиус контролируемой сферической поверхности. Картина интерференции объектной и опорной волн интерферометра, наблюдаемая на экране системы регистрации, и позволяет судить о радиусе кривизны и качестве изготовления контролируемой сферической поверхности. Перемещая держатель с контролируемой поверхностью вдоль оптической оси, добиваются выпрямления интерференционных полос. Величина перемещения держателя соответствует отступлению реального радиуса кривизны от расчетного. Таким образом осуществляется одновременный контроль качества изготовления и радиуса кривизны сферической поверхности, то есть увеличивается количество одновременно контролируемых параметров. 2 ил. со С VJ V4 О VI СО С