ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ (ВАРИАНТЫ)

ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ (ВАРИАНТЫ).
Полезные модели относятся к измерительной технике, а именно к приборам для контроля отклонений формы поверхностей оптических деталей и могут быть использованы при создании приборов для контроля сферических и плоских поверхностей, а также для измерения радиуса сферы.
Известен интерферометр 1 для измерения отклонения формы поверхности от номинальной, состоящий из автоколлимационного устройства, сферических и плоских интерферометрических насадок и узлов для закрепления и юстировки насадок и поверяемых деталей. Автоколлимационное устройство и узлы с насадками и поверяемыми деталями располагаются на горизонтальном столе.
Известен также интерферометр Г2, содержащий установленное на горизонтальном столе автоколлимационное устройство. Автоколлимационное устройство состоит из источника излучения, конденсора с малой диафрагмой, объектива, светоделительного блока и системы проецирования интерференционной картины на телекамеру. Система для предварительной настройки интерферометра состоит из последовательно установленных зеркала и объектива. С помощью системы предварительной настройки интерферометра изображение малой диафрагмы проецируется на телекамеру с помощью перекидного зеркала. В конструкцию интерферометра входят держатель с содержащей эталонную сферическую поверхность интерферометрической насадкой, имеющей возможность перемещения вдоль трех координатных осей, устройство для микроперемещений интерферометрической насадки и устройство для установки контролируемой детали, имеющее возможность перемещения вдоль оси контроля.
. :-. 4 :  S . ч .:
Общим недостатком интерферометров Г1. Г21 является то, что узлы интерферометра не соединены между собой, поэтому каждая установка интерферометра требует взаимной юстировки его узлов, поверяемая деталь устанавливается на ее цилиндрическую поверхность со значительными погрешностями и требуется юстировка детали в течении длительного времени. Интерферометры 11, 21 не содержат устройств для измерения радиуса. поэтому контроль радиуса сферы возможен только путем наложения пробного стекла, что приводит к повреждению поверхности контролируемой детали. Кроме того, интерферометрами ГЦ и 2 невозможно осуществить контроль деталей малого диаметра. При этом наиболее близким к заявляемой полезной модели является известный интерферометр 2, так как в нем имеется устройство для формирования фазовой интерферограммы, отсутствующее в интерферометре ГИ. в связи с чем интерферометр 21 выбран в качестве прототипа.
Задачей полезной модели является повышение производительности контроля, расширение диапазона измерений и функциональных возможностей интерферометра.
Для решения указанной задачи предлагается два варианта выполнения интерферометра для контроля оптических деталей.
По первому варианту, предназначенному для контроля сферических поверхностей, предложен интерферометр, содержащий, установленное на горизонтальном столе автоколлимационное устройство. Автоколлимационное устройство состоит из источника излучения, конденсора с диафрагмой, объектива, светоделительного блока, системы проецирования интерференционной картины на телекамеру и системы для предварительной настройки интерферометра. Система для предварительной настройки интерферометра состоит из последовательно установленных зеркала и объектива. В состав интерферометра входит также держатель с содержащей эталонную сферическую поверхность интерферометрической насадкой, имеющей возможность перемещения вдоль трех координатных осей, устройство для микроперемешений интерферометрической насадки и устройство для установки контролируемой детали, которое имеет возможность перемещения вдоль оси контроля. Особенностью первого варианта полезной модели является то, что ось контроля расположена в вертикальной плоскости. Держатель со сферической интерферометрической насадкой выполнен в виде координатного столика, имеющего возможность перемещения в двух взаимноперпендикулярных направлениях в плоскости, перпендикулярной оси контроля. Перемещение координатного столика вдоль оси контроля осуществляется с помощью жестко соединенной с ним направляющей, установленной коаксиально оправе объектива автоколлимационного устройства и взаимодействующей с рычажным механизмом. Одно плечо рычажного механизма связано с микрометрическим винтом, а другое - с устройством для микроперемещений интерферометрической насадки. Деталь устанавливается на контролируемую поверхность в устройство для установки контролируемой детали, закрепленное в каретке, имеющей возможность перемещения вдоль оси контроля по направляющей. Направляющая связана с установленной на корпусе автоколлимационного устройства стойкой и имеет возможность вертикального перемещения относительно стойки. В системе для предварительной настройки интерферометра за объективом установлена телекамера. Для измерения рвдиуса контролируемой поверхности каретка с закрепленным в ней устройством для установки контролируемой детали , может быть связана с измерительной системой.
г- // гезгх
- 4
поверхностей, интерферометр содержит, установленное на горизонтальном столе автоколлимационное устройство. Автоколлимационное устройство состоит из источника излучения, конденсора с диафрагмой, объектива, светоделительного блока, системы проецирования интерференционной картины на телекамеру, системы для предварительной настройки интерферометра. Система для предварительной настройки интерферометра состоит из последовательно установленных зеркала и объектива. В состав интерферометра по второму варианту входит держатель с плоской интерферометрической насадкой, снабженный устройством для микроперемещений вдоль оси контроля, и устройство для установки контролируемой детали. Деталь имеет возможность наклона относительно плоскости, перпендикулярной оси контроля в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Особенностью интерферометра по второму варианту является то, что ось контроля расположена в вертикальной плоскости. Держатель с плоской интерферометрической насадкой установлен на направляющей. расположенной коаксиально оправе объектива автоколлимационного устройства и взаимодействующей с рычажным механизмом. Одно плечо рычажного механизма связано с микрометрическим винтом, а другое с устройством для микроперемещений интерферометрической насадки. Деталь устанавливается на контролируемую поверхность в устройство для установки контролируемой детали, жестко связанное с корпусом автоколлимационного устройства. В системе для предварительной настройки за объективом установлена телекамера.
Выполнение задач, поставленных при создании предлагаемой модели , стало возможным благодаря следующему.
В предложенных вариантах интерферометров заявляется вертикальная схема контроля оптических деталей, благодаря которой поверяемая деталь устанавливается в прибор непосредственно на контролируемую поверхность в отличие от прототипа, в котором деталь опирается на цилиндрическую поверхность, имеющую значительные погрешности. Вертикальная схема контроля реализована в предложенных вариантах интерферометров благодаря расположению детали над автоколлимационным устройством, что обеспечивается конструкцией держателя со сферической интерферометрической насадкой и устройства для установки поверяемых сферических деталей (в первом варианте, п. 1 формулы), а во втором варианте Сп. 3 формулы) - соответственно конструкцией держателя с плоской интерферометрической насадкой и устройства для установки деталей с плоской контролируемой поверхностью. Благодаря вертикальной схеме контроля исключены погрешности установки и трудоемкая юстировка деталей, имевшие место в прототипе. Кроме того, в предложенных вариантах интерферометров удалось скомпоновать узлы интерферометров, включая автоколлимационное устройство, в единую конструкцию, не требующую взаимной юстировки входящих в ее состав узлов. Это обеспечено жестким соединением держателей с интерферометрическими насадками (сферической в первом варианте, плоской во ВТОРОМ) с направляющей, расположенной коаксиально оправе объектива автоколлимационного устройства. В случае необходимости измерения величины радиуса поверяемой детали в первом варианте интерферометра (см. п. 2 формулы) предусмотрена и эта возможность. Измерение радиуса обеспечивается за счет того, что каретка с установленной в ней деталью связана с измерительной системой. В прототипе измерить радиус сферы возможно было только путем наложения пробных стекол, повреждающих поверхность контролируемой детали. Следует также отметить, что система предварительной настройки интерферометра не
имеет перекидного зеркала как в прототипе, а содержит дополнительную TV-камеру, что значительно упрошает конструкцию устройства.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Предлагаемая модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - оптическая схема интерферометра для контроля оптических деталей;
на фиг. 2 - кинематическая схема интерферометра для контроля оптических деталей по п. 1 формулы полезной модели;
на фиг. 3 - устройство для установки контролируемой детали (вид сверху);
на фиг. 4 - разрез по А-А фиг. 3;
на фиг. 5 - кинематическая схема интерферометра для контроля оптических деталей по п. 2 формулы полезной модели;
на фиг. 6 - кинематическая схема интерферометра для контроля оптических деталей по п. 3 формулы полезной модели.
Оптическая схема для вариантов полезной модели- общая и содержит источник 1 излучения (газовый лазер), конденсор 2 с малой диафрагмой 3, объектив 4, светоделительный блок, состоящий из двух светоделительных пластин 5,6, систему для предварительной настройки интерферометра и систему проецирования интерференционной картины на TV-камеру. Система для предварительной настройки интерферометра состоит из последовательно установленных зеркала 7, объектива 8 и TV-камеры 9. Система проецирования интерференционной картины содержит последовательно установленные диафрагму 10, объектив 11, вращающийся матовый диск 12, объектив 13, объек2,001 /с ягсггх
- 6 тив 14 с переменным фокусным расстоянием и TV-камеру 15. По ходу оптического луча после объектива 4, устанавливаются интерферометрическая насадка 16 и контролируемая деталь 17.
По первому варианту выполнения Сем. фиг. 2) полезная модель содержит установленное на горизонтальном столе 18 автоколлимационное устройство, на корпусе 19, которого установлена стойка 20, снабженная направляющей 21. На направляющую 21 установлена каретка 22, имеющая возможность перемещения вдоль оси контроля. В каретку 22 закреплено устройство для установки контролируемой детали 23. Устройство для установки контролируемой детали 23 (см. фиг. 3,4) содержит три ползуна 24, перемещающиеся в радиальном направлении и обеспечивающие установку деталей различного радиуса. Деталь 23 устанавливается в устройство для установки контролируемой детали непосредственно на контролируемую поверхность Б. Коаксиально оправе 25 объектива 4 автоколлимационного устройства установлена направляющая 26, жестко связанная с координатным столиком 27 со сферической интерферометрической насадкой 28. Координатный столик 27 имеет направляющие 29,30 типа ласточкин хвост, обеспечивающие возможность перемещения интерферометрической насадки 28 в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости, перпендикулярной оси контроля, Интерферометрическая насадка 28 содержит эталонную сферическую поверхность В. Направляющая 26 связана при помощи толкателя 31 с рычагом 32, одно плечо которого взаимодействует с микрометрическим винтом 33. а другое - с устройством 34 для микроперемещений интерферометрической насадки для образования фазовой интерферограммы. Силовое замыкание микрометрического винта 33 и рычага 32 осуществляется с помощью пружины 35.
( S
- 7 Изображенный на фиг. 5 интерферометр по п. 2 формулы содержит дополнительную каретку 36, которая может перемещаться вдоль оси относительно стойки 20 и на которой закреплена направляющая 37 для перемещения каретки 22. Дополнительная каретка 36 связана с метрологической измерительной решеткой 38 для измерения величины перемещения. С этой целью на стойке 20 установлен преобразователь линейных перемещений 39.
Интерферометр по первому варианту Сп. 1 ф-лы) работает следующим образом. Излучение лазера 1 (см. фиг. 1) поступает на линзу конденсора. 2, диафрагма 3 которого пропускает только основной поток и отрезает все паразитные лучи. Из диафрагмы 3 выходит сферический волновой фронт, который после прохождения через объектив 4 становится плоским. Часть потока отражается от эталонной поверхности , а часть от контролируемой поверхности. Эти два потока образуют интерференционную картину, которую через диафрагму 10 с помощью объектива 11 проецируют на вращающийся матовый диск 12 , предназначенный для устранения когерентности прошедшего через него потока, создающей паразитные интерференционные картины. Интерференционная картина объективами 13 и 14 проецируется на TV-камеру 15. Объектив 14 имеет переменное фокусное расстояние ( от 28 до 210 мм), что позволяет изменить увеличение системы, проектирующей интерференционную картину на TV-камеру 15, задействовать всю площадь матрицы TV-камеры 15 при контроле деталей с диаметром менее светового диаметра объектива 4. При настройке интерферометра используется система для предварительной настройки, с помощью которой на телекамеру 9 проецируют изображения диафрагмы 3, отраженные эталонной и поверяемой поверхностями. Система для предварительной настройки имеет больший угол поля зрения, чем система
проецирования интерференционной картины. Поэтому настройка интерферометра значительно облегчается.
Контролируемая деталь 23 (см. фиг. 2-4) устанавливается на опорные поверхности ползунов 24, которые могут перемещаться в радиальном направлении для того, чтобы обеспечить установку контролируемых деталей различного диаметра. Наблюдая на экране дисплея, связанного с телекамерой 9 (см. фиг. 1), автоколлимационные изображения диафрагмы 3, отраженные от эталонной В(см. фиг. 2) и контролируемой Б поверхностей, совмещаем эти изображения, перемещая интерферометрическую насадку 28 с эталонной поверхностью В перпендикулярно оптической оси, а контролируемую деталь 23 - вдоль оптической оси вместе с кареткой 22. Интерферометрическая насадка 28 перемещается перпендикулярно оптической с помощью координатного столика 27, имеющего направляющие 29 и 30 типа ласточкин хвост. После совмещения автоколлимационных изображений диафрагмы 3, на экране дисплея, связанного с телекамерой 15 будем наблюдать интерференционную картину, образованную волновыми фронтами, отраженными от эталонной В и контролируемой Б поверхностей. Окончательную настройку интерферометра - получение интерференционной картины с требуемым числом полос нужной ориентации - производят перемещением интеррферометрической насадки 28, Перемещение насадки 28 вдоль оптической оси осуществляется с помощью микрометрического винта 33, при вращении которого направляющая 26 вместе с насадкой 28 посредством рычага 32 и толкателя 31 перемещается на небольщую величину вдоль оси. Для реализации наиболее точного фазового метода обработки интерферограмм сферическая интерферометрическая насадка 28, установленная на направляющей 26, может перемещаться на небольщую величину вдоль оптической оси при измене2 // -
- 9 НИИ длины опоры 34. Для этой цели опора 34 снабжена пъезоэлементом, длина которого изменяется при подаче на него напряжения. В результате вся интерференционная картина смещается на одну полосу при перемещении эталонной поверхности В на 1/2 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 В, можно рассчитать фазу интерферограммы в этих точках поля, что соответствует фазе волнового фронта, отраженного от контролируемой поверхности Б.
Измерение радиуса контролируемой поверхности по п. 2 первого варианта проводится следующим образом (см. фиг. 5): интерферометр настраивается аналогичным образом так, чтобы получить интерференционную картину, образованную волновыми фронтами, отраженными от эталонной В и контролируемой В поверхностей. Совмещается центр сферической поверхности контролируемой детали 23 с центром сферы эталонной В поверхности и снимается первый отсчет по щкале 38, измеряющей перемещение детали 23. Индикатором совмещения центров кривизны контролируемой В и эталонной В поверхностей являются максимально возможно прямые интерференционные полосы. После этого каретка 36 вместе с контролируемой деталью 23 перемещается по направляющей 21 до совмещения центра кривизны эталонной поверхности В с поверхностью контролируемой детали 23, при этом смещение интерферометрической насадки 28 не допускается. Индикатором наведения на поверхность также являются максимально возможно прямые полосы интерференционной картины. Снимается второй отсчет по щкале 38. Разность отсчетов соответствует радиусу сферы контролируемой детали 23.
По п. 3 формулы (см. фиг. 6) полезная модель содержит автоколлимационное устройство, на корпусе 19, которого жестко установлено устройство для установки контролируемой детали 40. Устройство для установки контролируемой детали 40 состоит из основания 41, установленного на корпусе 19 автоколлимационного устройства, и регулируемого столика 42. На столик 42 на контролируемую поверхность С устанавливается деталь 40. Столик 42 имеет возможность наклона относительно плоскости перпендикулярной оси контроля в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью регулировочных винтов 43,44. Коаксиально оправе 25 объектива 4 автоколлимационного устройства установлена направляющая 26, жестко связанная с держателем 45, в котором установлена плоская интерферометрическая насадка 46. Направляющая 26 связана при помощи толкателя 31 с рычагом 32, одно плечо которого взаимодействует с микрометрическим винтом 33, а другое - с устройством 34 для микроперемещений интерферометрической насадки 46 для образования фазовой интерферограммы. Силовое замыкание микрометрического винта 33 и рычага 32 осуществляется с помощью пружины 35.
Интерферометр по второму варианту (п. 3 формулы) работает следующим образом (см. фиг. 1). Излучение лазера 1 поступает на линзу конденсора 2, диафрагма 3 которого пропускает только основной поток и отрезает все паразитные лучи. Из диафрагмы 3 выходит сферический волновой фронт, который после прохождения через объектив 4 становится плоским. Часть потока отражается от эталонной поверхности, а часть от контролируемой поверхности. Эти два потока образуют интерференционную картину, которую через диафрагму 10 с помощью объектива 11 проецируют на вращающийся матовый диск 12
назначение которого устранить когерентность прошедшего через него потока, чтобы не возникали паразитные интерференционные картины. Интерференционная картина объективами 13 и 14 проецируется на TV-камеру 15. Объектив 14 имеет переменное фокусное расстояние ( от 28 до 210 мм), что позволяет изменить увеличение системы, проектирующей интерференционную картину на TV-камеру 15 и задействовать всю площадь матрицы TV-камеры 15 при контроле деталей с диаметром менее светового диаметра объектива 4. При настройке интерферометра используется система для предварительной настройки, с помощью которой на телекамеру 9 проецируют изображение диафрагмы 3, отраженное эталонной и поверяемой поверхностями. Система для предварительной настройки имеет больший угол поля зрения, чем система проецирования интерференционной картины. Поэтому настройка интерферометра значительно облегчается.
Интерферометрическая насадка 46 (см. фиг. 6) выполнена таким образом, что автоколлимационное изображение диафрагмы 3 от эталонной поверхности Д совпадает с центром телекамеры 9 (см. фиг. 1). После установки контролируемой детали 40 на регулируемый столик 42, совмещают автоколлимационное изображение диафрагмы 3 от контролируемой поверхности С с ее изображением от эталонной поверхности Д, наблюдая последние на экране дисплея, соединенного с телекамерой 9 и наклоняя контролируемую деталь 40 с помощью винтов 43 и 44. Окончательную настройку интерферометра, заключающуюся в получении интерференционной картины с требуемым количеством полос нужного направления, производят также наклоном столика 42 с помощью винтов 43 и 44, но наблюдая интерференционную картину на дисплее, соединенном с телекамерой 15 (см, фиг. 1). Для реализации наиболее точного фазового метода обработки
Гб
- 12 интерферограммы интерферометрическая насадка 46, закрепленная на направляющей 26 смещается вдоль оси с помощью опоры 34, содержащей пьезокерамику, длина которой изменяется при подаче на нее напряжения на величины, составляющие доли длины волны применяемого излучения. В результате вся интерференционная картина смещается на одну полосу при перемещении эталонной поверхности Д на 1/2 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 Д, можно рассчитать фазу интерферограммы в этих точках поля, что соответствует фазе волнового фронта, отраженного от контролируемой поверхности С.
Таким образом, предложенные варианты интерферометров для контроля оптических деталей по сравнению с прототипом позволяют повысить производительность процесса контроля, а также расщирить диапазон измерений и функциональные возможности интерферометра.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1.Интерферометр ИКД-110. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Часть I. Ю-30. 60. 025 ТО, 1991 г.
2.Интерферометр. Модель Mark III, техническое описание - прототип .