Голографический интерферометр для контроля формы внутренней поверхности отверстий Советский патент 1992 года по МПК G01B11/24 G01B9/21 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к оптическим устройствам измерений, и может быть использовано для измерения формоизменений поверхности отверстий, а также для контроля соответствия исследуемого отверстия эталону.

Известен интерферометр для сравнения цилиндрических отверстий 1, содержащий первый объектив, формирующий два сходящихся пучка, один из которых объективный, другой - предметный, второй объек- тив, формирующий изображение исследуемой внутренней поверхности объекта путем сведения опорного и объектного пучков на регистрирующей среде, расположенной в плоскости резкого изображения.

Исследуемый объект находится между двумя объективами, так что излучение, формируемое первым объективом, проходит через исследуемое отверстие объекта. В качестве регистрирующей пластины используется го- лографическая пластинка. Для контроля сначала записывается на месте голограмма эталонного отверстия, которая затем служит индикатором при сравнении контролируемых отверстий с эталоном по интерференционным полосам, Чем больше интерференционных полос, тем больше отличается контролируемое цилиндрическое отверстие от эталона.

Измерения и контроль отверстий в таком интерферометре трудоемки и не точны, т.к. требуется точное совмещение тождестVI VI М О

0-гЭ

VI

венных точек эталона и предмета в пространстве, а это представляет самостоятельную и довольно сложную задачу, решаемую на сегодняшний день только в некоторых частных случаях. Схема интерфе- рометра со скользящим освещением внутренней поверхности приводит к тому, что увеличивается плотность записи на узкой кольцевой полоске голограммы, при решении обратной задачи, связанной с количест- венной расшифровкой интерферограммы, малые погрешности в исходной информации дают большие отклонения в определяемых параметрах исследуемой поверхности, что существенно увеличивает погрешность измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является голографический интерферометр 2, содержащий источник излучения - лазер, микро- объектив для расширения пучка, коническ/ю линзу для формирования предметного пучка, голограмму для формирования регистрации отклонений внутренней цилиндрической поверхности от эталонной.

Недостатком данного устройства является то, что опорный пучок проходит через все отверстия соосно с исследуемой цилиндрической поверхностью и при значительных отклонениях формы отверстия перекрываются. Указанное устройство регистрирует информацию о боковой поверхности исследуемого цилиндрического отверстия в скользящих лучах, а это равносильно тому, что исследуется только макро- структура поверхности, а информация о микроструктуре теряется.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и снижение их трудоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что известный голографический интерферометр для контроля формы внутренней поверхности отверстий, содержащий последовательно установленные источник излучения, микрообъектив, коллимирую- щий объектив и регистрирующую среду, снабжен конусом, предназначенным для установки внутри контролируемого отверстия и выполненным с внешней отражающей по- верхностью, на которую нанесен растр, регистрирующая среда расположена по ходу излучения за коллимирующим объективом в плоскости, перпендикулярной оси интерферометра, и взаимосвязана с вершиной кону- са, ориентированного так, что его ось совпадает с осью интерферометра.

На чертеже представлена схема реализации топографического интерферометра.

А

Голографический интерферометр содержит последовательно расположенные источник излучения 1 (например лазер ЛГ- 30), микрообъектив 2 (в устройстве использовались 20- и 40-кратные микрообъективы биологических микроскопов), объектив коллиматора 3 (диаметр объектива выбирается в зависимости от исследуемого отверстия), отражающий конус 4, регистрирующую среду 5 (в устройстве использовались пластинки ПЭ-2), исследуемое отверстие 6.

Между углом отражающего конуса 2/ и параметрами нанесенного на него растра существует связь. В соответствии с основным уравнением дифракции

(sln V+sIn p) NA , где / 90 - / угол падения излучения на поверхность растра,

(р- (3 - угол отражения излучения,

А-длина волны излучения,

I - период решетки,

N - порядок дифракции (см. И.М.Нагибин Интерференция и дифракция света. г.Ленинград, Машиностроение, 1974, с.325), т.е.

1 /2 cos С45° -/3) N1

где А - число штрихов решетки на единицу длины вдоль образующей отражающего конуса.

Устройство работает по методу двух экспозиций. Во время первой экспозиции коллимированный пучок направляется через регистрирующую среду 5, закрепленную на поверхности, окружающей отверстие, например с помощью резины, холодной полимеризации CKIH. Луч 1 (см. фиг. )отколлимирующегообьектива 3 падает под углом ip к нормали оптического растра 4 и. отразившись от нее под углом р, падает на исследуемую поверхность лучом 11. За счет дифракции света на исследуемой поверхности в индикатрисе рассеяния найдется ему подобный луч 11 и из-за обратимости хода лучей в дифракционной решетке он преобразуется в луч 1 Пучок падает на регистрирующую среду 5 с обратной стороны и интерферирует с падающим излучением, регистрируется голограмма по схеме Денисюка. На фотопластинке 5 во время первой экспозиции регистрируется голограмма начального состояния боковой поверхности исследуемого отверстия. После воздействия на объект, а это может быть либо обработка отверстия, либо сжатие-растяжение, таким же образом регистрируется конечное состояние боковой поверхности второй экспозицией. При восстановлении голограммы по интерференционной картине наблюдается формоизменение боковой поверхности отверстия.

Для Контроля изготавливаемых отверстий и сравнения их с эталоном используется метод трехопорного контакта, совмещающего световые волны, зарегистрированные во время первой экспозиции от эталонной поверхности, со световыми волнами, отраженными от исследуемой поверхности.

Количественную информацию можно получить после расшифровки интерферог- рамм, например, с помощью информационно-измерительной системы.

В предлагаемом устройстве угол наблюдения составляет 90°, что позволяет определять перемещения W, нормальные к боковой поверхности цилиндрического отверстия, по предложенной схеме с высокой точности, так как для определения W необходимо решать только одно уравнение. Погрешность 5 л сведена к минимуму. В этом случае: d W v д 5, v д 1, д . Следовательно, погрешность определения компонент перемещения будет определяться в основном погрешностью определения порядка интерференционных полос, что существенно снижает погрешность измерения и повышает точность контроля (см. Гологра- фические измерительные системы, СборVS.

0

ник научных трудов, вып.2. под ред. А.Г.Ко- зачка, г.Новосибирск, с.34-39). В предлагаемом устройстве глубина исследуемого отверстия может значительно превосходить диаметр отверстия за счет уменьшения угла отражающего конуса. Т.О. снижается ограничение соотношения диаметра и глубины отверстия, что позволяет расширить область применения такого устройства,

Формула изобретения

Топографический интерферометр для контроля формы внутренней поверхности

отверстий, содержащий последовательно установленные источник излучения, микрообъектив, коллимирующий объектив и регистрирующую среду, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и

производительности контроля, он снабжен корпусом, предназначенным для установки внутри контролируемого отверстия и выполненным с внешней отражающей поверхностью, на которую нанесен растр,

регистрирующая среда расположена по ходу излучения за коллимирующим объективом в плоскости, перпендикулярной оси интерферометра, и взаимосвязана с вершиной конуса, ориентированного так, что его

ось совпадает с осью интерферометра.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике для измерения формоизменений поверхности отверстий и соответствие ее эталону. Цель - повышение точности измерений и производительности контроля. Устройство работает по методу двух экспозиций. Коллимированный пучок направляется через регистрирующую среду, закрепленную на поверхности, окружающей отверстие, на отражающий конус, закрепленный соосно внутри исследуемого отверстия. На внешней отражающей поверхности конуса нанесен растр. Отразившись от конуса, свет дифрагирует на исследуемой поверхности и, возвращаясь на регистрирующую среду, интерферирует с падающим излучением. Регистрируется голограмма по схеме Денисюка. Вторая экспозиция регистрирует состояние поверхности отверстия после воздействия на нее. Формоизменение наблюдают по восстановленной интерференционной картине. 1 ил.