УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения отклонения формы полированных поверхностей от номинальной при контроле формы оптических деталей.
Известен интерферометр [1], предназначенный для определения величины отступления от плоскостности поверхностей высокой точности и плоскопараллельности пластин.
В известном интерферометре свет от монохроматического источника (например, ртутной лампы) собирается линзой на отверстии в диафрагме, помещенной в фокальной плоскости объектива коллиматора. Параллельный пучок лучей, вышедший из объектива коллиматора отражается от верхней плоской поверхности контролируемой детали и от нижней плоской поверхности слегка клиновидной пластины - эталона. Интерференционная картина наблюдается через полупрозрачную пластину и окуляр. Полосы равной толщины наиболее контрастны при падении параллельного пучка лучей по нормали к поверхности пластины. Поэтому при юстировке интерферометра эталонную пластину устанавливают так, чтобы автоколлимационное изображение отверстия в диафрагме, полученное при отражении пучка лучей от нижней поверхности пластины, совпало с самим отверстием.
Известен интерферометр [2], предназначенный для измерения отклонений формы полированных поверхностей от номинальной.
Интерферометр [2] содержит гелий-неоновый лазер, специальный фильтр, преобразующий луч лазера в расходящийся волновой
фронт, светоделители, объектив, собственно интерферометр Физо, систему проецирования интерферограммы на телекамеру и систему проецирования на телекамеру автоколлимационных изображений диафрагмы.
Недостатком известного интерферометра [2] является то, что при измерении все дефекты интерференционной картины, возникающие из-за дефектов осветителя и оптической системы интерферометра воспринимаются системой регистрации интерферограммы как деформации интерферограммы, вызванные отклонением формы поверхности контролируемой детали от номинальной.
Известно также устройство [3], предназначенное для интерферометрического измерения волнового фронта.
Известное устройство содержит источник света - модуль полупроводникового лазера, пространственный фильтр, преобразующий лазерный пучок в расходящийся сферический волновой фронт, пропускающий расщепитель пучка, коллимирующую линзу, интерферометр Физо. Интерференционная картина формируется на фоточувствительных элементах устройства формирования изображений с ПЗС или фотодиодной матрицей. Сканирование интерференционной картины осуществляется методом изменения длины волны излучения источника, что реализовано в известном способе путем изменения оптической длины резонатора лазера. Этот способ требует для своей реализации специального лазера, что является несомненным недостатком.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является интерферометр [4], принципиальная схема которого представлена на фиг.1
Интерферометр реализован по схеме Физо, в которой интерференционная картина возникает между непосредственно эталонной и контролируемой поверхностями.
Способ измерения в интерферометре, выбранном в качестве прототипа, основан на том, что эталонная поверхность совершает колебательные движения вдоль оптической оси. В результате вся
1
4
интерференционная картина смещается на одну полосу при перемещении эталонной поверхности на / длины волны излучения используемого в интерферометре источника. Измерив три или более значений интенсивности интерференционной картины в точках поля, соответствующих положению пикселей матрицы за время одного цикла перемещения эталонной поверхности, можно рассчитать фазу интерферограммы в этих точках поля, что соответствует фазе волнового фронта.
Известное устройство [4] содержит источник когерентного излучения, расположенные за ним фильтр-конденсор, установленный в фокальной плоскости объектива и состоящий из конденсорной линзы и диафрагмы малого диаметра, первый и второй светоделительные элементы, объектив и собственно интерферометр, который включает контролируемую и эталонную поверхности. Обе поверхности перпендикулярны оптической оси. Эталонная поверхность совершает колебания вдоль оптической оси интерферометра, благодаря чему длина хода луча, отраженного от этой поверхности непрерывно изменяется. Устройство [4] содержит также проекционную систему, которая вместе с объективом проецирует интерференционную картину на TV - камеру и фотодиодную матрицу, а также систему проецирования автоколлимационных изображений, предназначенную для предварительной настройки интерферометра. С фотодиодной матрицей связана ЭВМ, в которой осуществляется обработка результатов измерения. Недостатком известного устройства [4] является сложность осуществления оперативного контроля деталей при их серийном производстве, что обусловлено стационарной конструкцией устройства и его большими габаритами, т.е. прибор больше предназначен для лабораторно-исследовательского контроля, чем для производственно-цехового. Большие габариты прибора определяются разными факторами, но прежде всего реализацией оптической схемы с двумя независимыми переключаемыми специальным устройством каналами юстировки и наблюдения (проекционная система и система проецирования автоколлимационных изображений). Кроме того, существенным
недостатком известного устройства [4] является отсутствие возможности видеть одновременно изображение автоколлимационных точек и интерферограммы.
Задачей полезной модели является повышение оперативности измерений, при одновременном упрощении конструкции и уменьшении габаритов устройства.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей, которое, как и наиболее близкое, выбранное в качестве прототипа, содержит источник излучения, светоделительный элемент, состоящий из двух прямоугольных призм, объектив коллиматора, интерферометр, состоящий из эталона и контролируемой детали, проекционную систему и систему проецирования автоколлимационных изображений, связанные с регистрирующим блоком.
Особенностью предлагаемого устройства, отличающей его от известного устройства [4], принятого за прототип, является то, что светоделительный элемент дополнен третьей прямоугольной призмой большего размера, вклеенной катетами между гипотенузами первой и второй прямоугольных призм, образуя две светоделительные грани, при этом светоделительный элемент расположен на одной оси с объективом коллиматора, интерферометром и проекционной системой, а система проецирования автоколлимационных изображений расположена таким образом, что ее оптическая ось пересекает первую по ходу оптического луча устройства светоделительную грань.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
В заявляемом устройстве предлагается оригинальная конструкция светоделительного элемента, которая представляет собой прямоугольную призму, на катеты которой наклеены гипотенузами две прямоугольные призмы. Таким образом, в отличие от прототипа, светоделительный элемент которого имеет одну светоделительную грань, предложенный светоделительный элемент образует две светоделительные грани. Именно эти существенные признаки обеспечили возможность
расположения светоделительного элемента на одной оси с объективом коллиматора, интерферометра и проекционной системы. Итак, в отличие от прототипа, состоящего из двух параллельных, механически переключаемых специальным устройством каналов, в предлагаемой полезной модели удалось совместить котировочный и интерференционный каналы, а следовательно, существенно сократить габариты устройства, сделать его портативным, легко устанавливаемым на станок с обрабатываемой деталью. Расположение системы проецирования автоколлимационных изображений таким образом, что ее оптическая ось пересекает первую по ходу оптического луча устройства светоделительную грань в центре, обеспечивает возможность одновременной работы котировочного и интерференционного каналов, что значительно упрощает процедуру юстировки. Одновременной работе юстировочного и интерференционного каналов способствует также:
- описанная выше реализация светоделительного элемента, который в отличие от прототипа, имеющего одну светоделительную грань, имеет две таких грани и
- наличие двух систем регистрации с ПЗС-матрицами, контроллерами и собственными мониторами.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - представлена принципиальная схема устройства принятого за прототип; на фиг.2 - представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Устройство для измерения отклонения формы оптических поверхностей содержит источник излучения 1, расположенный за ним светоделительный элемент, состоящий из двух идентичных прямоугольных призм: первой 2 и второй 3, а также третьей призмы 4 большего размера, вклеенной катетами между гипотенузами двух других прямоугольных призм 2 и 3, образуя таким образом две светоделительные грани А и Б. Светоделительный элемент расположен на одной оси с объективом
коллиматора 5, интерферометром 6, состоящим из эталона 7 и контролируемой детали 8, проекционной системой 9, включающей линзу коллектива 10, матовую пластину 11 и репродукционный объектив 12. Через ПЗС - матрицу 13 и контроллер 14 канала наблюдения интерференционная картина наблюдается на мониторе 15. Устройство содержит также систему 16 проецирования автоколлимационных изображений, представляющую собой объектив формирования точек настройки, расположенную так, что ее оптическая ось пересекает первую по ходу оптического луча светоделительную грань светоделительного элемента. Через ПЗС-матрицу 17 канала настройки и контроллер 18 изображение двух точек наблюдается на мониторе 19.
Устройство работает следующим образом. Расходящийся когерентный пучок от точечного источника 1 падает на грань А светоделительного элемента и отражается в сторону объектива 5 коллиматора. После объектива 5 коллиматора параллельный пучок проходит через эталон 7, частично отражаясь от эталонной поверхности В эталона 7, и отражается от контролируемой поверхности Г контролируемой детали 8. Пучки, отраженные от поверхностей эталона 7 и контролируемой детали 8 интерферируют друг с другом. Для того, чтобы интерференционная картина была наблюдаемой, поверхности В и Г должны быть параллельны.
Для юстировки параллельности отраженные пучки от этих поверхностей в обратном ходе преобразуются объективом 5 коллиматора в сходящиеся, частично отражаются от поверхности А светоделительного элемента и через объектив формирования точек настройки 16 падают на ПЗС-матрицу 17 канала настройки. Таким образом, на поверхности ПЗС-матрицы 17 канала настройки формируется изображение двух точек, которое преобразуется в соответствующий электронный сигнал контроллером 18 и наблюдается на мониторе 19. Юстировка параллельности производится наклонами контролируемой детали 8 и проверяется по совмещению двух точек на мониторе 15. Одновременно с этим, проинтерферировавшие пучки, прошедшие через поверхности Б и А
светоделительного элемента, через линзу коллектива 10 падают на матовую пластину 11 и формируют там изображение интерферограммы, которое переносится с помощью репродукционного объектива 12 на ПЗС-матрицу 13 канала наблюдения интерферограмм. Изображение интерферограммы, преобразованное в электрический сигнал контроллером 14 наблюдается на мониторе 15.
Таким образом, в отличие от существующих схем интерферометров, где для перехода от юстировки к наблюдению необходимо осуществлять переключение оптико-механических узлов, в предлагаемом устройстве для измерения отклонения формы оптических поверхностей юстировочный и интерференционный каналы работают одновременно, что облегчает процесс настройки, упрощает конструкцию, что в свое время делает ее более дешевой и миниатюрной.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1.Ю.В. Коломийцев. Интерферометры. Основы инженерной теории, Ленинград, «Машиностроение», 1976, стр. 52.
2.Патент США №4201473, МПК G 10В 9/02, 1980 г.
3. Европейский патент №0144510, МПК G 10В 9/02, 1985 г.
4.Интерферометр. Модель MARK III. Техническое описание - прототип.