Интерферометр для контроля отклонений от плоскостности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля отклонений от плоскостности поверхности объекта в различных отраслях промышленности. Цель - упрощение конструкции. Сущность изобретения: в интерферометре светоделитель в осветительной и наблюдательной ветвях выполнен в виде одной общей плоской пропускающей дифракционной решетки с возможностью его установки в потоке излучения между осветительной и наблюдательной системами с одной стороны и держателем объекта с другой стороны, осветительная и наблюдательная системы выполнены с возможностью их поворота относительно центра держателя объекта в плоскости, содержащей оси осветительной и наблюдательной систем. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к контролю отклонений от плоскостности поверхности объекта в различных отраслях промышленности.

Известны интерферометры для контроля отклонений от плоскости поверхности объекта, содержащие держатель объекта с контролируемой поверхностью, осветительную и наблюдательную системы, установленные под углом друг к другу и снабженные плоским светоделителем каждая.

В известном интерферометре контролируемая поверхность объекта и поверхность сравнения расположены на значительном расстоянии друг от друга, что при воздействии промышленных вибраций затрудняет возможность сохранения неизменной интерференционной картины в процессе измерений. Для уменьшения влияния вибраций требуется обеспечение жесткой связи между элементами интерферометра и держателем объекта.

Наиболее близким к изобретению является интерферометр для контроля отклонений от плоскостности поверхности объекта, содержащий держатель объекта с контролируемой поверхностью, осветительную и наблюдательную системы, установленные под неравными углами по отношению к контролируемой поверхности, и снабженные плоским светоделителем и зеркалом каждая так, что обеспечивается уменьшение влияния вибраций и минимизация разности хода в интерферирующих пучках при отражении обоих пучков от контролируемой поверхности.

Недостатком прототипа является сложность его конструкции, включающей два отдельных светоделителя и два плоских зеркала, расположенных под разными углами на заданном расстоянии от контролируемой поверхности объекта. Другим недостатком является невозможность простого изменения углов падения интерферирующих пучков, необходимого для регулирования чувствительности контроля поверхностей с различным диапазоном отклонений от плоскости.

Цель изобретения упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что в известном интерферометре, содержащем держатель объекта с контролируемой поверхностью, осветительную и наблюдательную системы, установленные под неравными углами к контролируемой поверхности и снабженные плоским светоделителем так, что обеспечивается минимизация разности хода в интерферирующих пучках, светоделитель в осветительной и наблюдательной ветви выполнен в виде одной общей плоской пропускающей дифракционной решетки с возможностью его установки в потоке излучения между осветительной и наблюдательной системами с одной стороны и держателем объекта с контролируемой поверхностью с другой стороны, осветительная и наблюдательная системы выполнены с возможностью их поворота относительно центра держателя объекта в плоскости, содержащей оси осветительной и наблюдательной системы, а держатель объекта выполнен с возможностью установки контролируемой поверхности объекта на расстоянии, не превышающем величины h₀, связанной с углом дифракции ϕ, углом падения ε недифрагировавшего пучка на контролируемую поверхность объекта и длиной когерентности интерферирующих пучков lк следующим соотношением: h₀ l_к/2[cos ε (1 sin ε sin ϕ)/cos ϕ] Введение дифракционной решетки в качестве светоделителя, выполнение держателя объекта с возможность установки на заданном расстоянии от светоделителя, выполнение осветительной и наблюдательной систем с возможностью их поворота относительно центра держателя объекта позволяет обеспечить в предлагаемом техническом решении эффект совмещения простоты конструкции интерферометра с высокой виброустойчивостью, возможностью работы в "белом" свете и возможностью простого изменения чувствительности контроля.

Отдельные существенные признаки порознь с другими известны (Маkosch G. Jaerisch W. Mapping of optical surfaces with guarter wavelength fringes. Appl. Opt. 1978, v. 17, N 5, р. 744). Однако известное применение в качестве светоделителя в интерферометре дифракционной решетки не позволяет достичь поставленной цели изобретения без сочетания с другими существенными признаками, а именно с возможностью установки держателя объекта с контролируемой поверхностью на расстоянии, не превышающем величины h₀, связанный с углом дифракции ϕ, углом падения ε недифрагировавшего пучка на контролируемую поверхность объекта и длиной когерентности интерферирующих пучков следующим соотношением: h₀ l_к/2[cos ε (1 sin ε sin ϕ)/cos ϕ] В указанном известном применении дифракционной решетки в качестве светоделителя используется монохроматический лазерный источник света, а поверхность самой решетки является образцовой и используется для формирования опорного волнового фронта. При этом для минимизации длины хода при работе в "белом" свете приходится расстояние h₀ уменьшать до 0, т.е. устройство становится контактным.

Появление дополнительного эффекта от использования известного существенного признака в совокупности с другими существенными признаками выражается в получении устройства в простом конструктивном выполнении по сравнению с прототипом при сохранении его бесконтактности и возможности работы в "белом" свете. Таким образом, у предлагаемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений.

Каждый из перечисленных признаков в предлагаемом методе влияет на роль других и поэтому не может быть исключен без нарушения общего эффекта от их совместного использования. Появление эффекта, превышающего простую сумму эффектов от использования отдельных существенных признаков, выражается в упрощении конструкции при работе с поверхностями, характеризующимися различной степенью шероховатости и различными диапазонами ошибок формы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема интерферометра для бесконтактного контроля отклонений от плоскостности поверхности объекта.

Интерферометр содержит осветительную систему 1, светоделитель 2 в виде плоской пропускающей дифракционной решетки, держатель объекта 3 с контролируемой поверхностью и наблюдательную систему 4.

Предлагаемый интерферометр работает следующим образом.

Коллимированный пучок, сформированный осветительной системой 1 падает под углом ε на светоделитель 2, выполненный в виде плоской дифракционной решетки, и держатель объекта 3 с контролируемой поверхностью. Часть пучка дифрагирует на светоделителе 2 и падает на контролируемую поверхность под углом дифракции ϕ (фиг. 2). Далее пучки, отраженные под разными углами от контролируемой поверхности на держателе 3, проходят через светоделитель 2 и интерферируют в результате совмещения дифрагированного и недифрагированного пучков. Наблюдение картины осуществляется с помощью наблюдательной системы 4. Держатель 3 обеспечивает изменение расстояния h вдоль оси Z и наклон контролируемой поверхности относительно осей Х и Y.

На фиг. 2 для пояснения принципа действия устройства показан ход лучей в зазоре величиной h_i между светоделителем 2 и держателем 3 с контролируемой поверхностью. Для различных углов падения на контролируемую поверхность ε и ϕ длина хода лучей до их совмещения в точке Е равна соответственно <А<SUB>11E > и <В<SUB>12С₁К₁Е>, а при смещении контролируемой поверхности вверх на Δh <A<SUB>12D₂E> и <В<SUB>12С₂К₂Е>. Можно показать, что разность хода оптических лучей из-за различия углов в точке Е для зазора h_i определяется выражением l_i 2h_i[cos ε- (1 sin ε sin ϕ)/cos ϕ] (1) Очевидно, что для работы интерферометра необходимо выполнить условие когерентности l_i ≅l_ког. (2) Предельное расстояние между светоделителем 2 и контролируемой поверхностью в держателе 3 должно удовлетворять условию h_i ≅ l_к/2[cos ε (1 sinε sinϕ )/cosϕ (3)
Если при смещении контролируемой поверхности (фиг. 2) на величину Δh происходит изменение разности хода на δ l, то выражение (3) принимает вид
Δ h δl/2[cos ε- (1 sinε sin ϕ)/cosϕ (4)
Для определения цены интерференционной полосы К необходимо, чтобы δl=λ, т.е.

К Δh_λ= λ /2[cos ε (1 sin ε sin/ ϕ/
/cosϕ (5)
Это означает, что смещение К контролируемой поверхности приводит к изменению разности хода интерферирующих лучей на величину длины волны излучения.

Из выражения (5) видно, что цена полосы К и связанная с ней чувствительность интерференционного контроля может изменяться в зависимости от соотношения углов ε и ϕ. При этом узел светоделителя 2 может быть выполнен сменным. Дифракционные решетки в качестве светоделителя 2 можно выбирать из выражения
d(sin ϕ sin ε) m λ m ±1,2, (6)
Тогда выражение (5) при m ± 1 принимает вид
К λ/{2[cos ε 1/cos ϕ (cos² ε ∓ sin ε/d)] (7)
Рассмотрим пример для ε 30^о, d 0,002 мм. По формулам (5) и (7) получим с учетом знака m: К 3,2 мкм, К 6,6 мкм.

С помощью поворота осветительной (1) и наблюдательной (4) систем относительно центра О держателя (3) можно подобрать соответствующие углы ε и ϕ с учетом периода d решетки светоделителя 2.

Устройство может работать в "белом" свете с широким источником без осветительной 1 и наблюдательной 4 систем при наложении решетки 2 на контролируемую поверхность 3 аналогично методу пробных стекол.

Контролиpуемая поверхность может быть неполированной, так как контраст картины близок к 1 вследствие одинаковых потерь при углах ε и ϕ мало отличающихся друг от друга. Кроме того, в изобретении получение хорошего контраста интерференционной картины может быть объяснимо с помощью теории спекл-интерферометрии (Франсон М. Оптика спеклов: Перев. с франц./Под ред. Ю.И. Островского, М. Мир, 1980, с. 116). Фактически при малых разностях (ε-ϕ) наблюдается интерференция двух спекл-структур, соответствующих наблюдению шероховатой поверхности под разными углами и при условии корреляции между ними.

Экспериментальное опробование устройства подтвердило его работоспособность. В соответствии с рассмотренным примером была изготовлена дифракционная структура и наблюдалась интерференционная картина при наложении ее на образцы квазиплоских поверхностей с различной степенью шероховатости.

Формула изобретения

ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПЛОСКОСТНОСТИ, содержащий осветительную систему, расположенный по ходу пучка излучения осветительной системы оптический блок, регистрирующую систему, оптически сопряженную через блок с осветительной системой, обе системы установлены с возможностью изменения угла наклона их осей, и держатель объекта с контролируемой поверхностью, отличающийся тем, что оптический блок выполнен общим для осветительной и регистрирующей систем в виде плоской пропускающей дифракционной решетки и установлен в ходе пучка излучения между осветительной и регистрирующей системой и держателем объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2