Способ интерференционного измерения формы поверхности оптических деталей

Изобретение относится к области интерференционных измерений, а конкретнее к способам повышения точности измерений путем многократного переотражения зондирующего излучения между эталонной и исследуемой поверхностью. Поставленная задача достигается тем, что при предварительной настройке интерферометра измеряют интенсивность максимума I_max и минимума I_min интерференционных полос для каждого порядка интерференции, затем рассчитывают видность V_n интерференционной картины для каждого n-го прохода по формуле V=(I_max-I_min)/(I_max+I_min), а сами интерференционные измерения производят при таком количестве проходов n, при котором максимальна величина n·V_n. Технический результат - расширение функциональных возможностей метода многократного зондирования путем выбора числа проходов, при котором чувствительность измерений максимальна.

 

Изобретение относится к области интерференционных измерений, а конкретнее к способам повышения точности определения координат интерференционных полос.

Измерение формы оптических поверхностей интерференционным методом сводится к определению отклонения положения интерференционных полос от их расчетного положения. Поэтому точность интерференционного метода определения формы поверхности оптических деталей в конечном итоге сводится к точности определения координат полос.

Известен способ многолучевой интерферометрии (1), в соответствии с которым на исследуемую и образцовую поверхности оптических деталей наносят зеркальный слой с коэффициентом отражения, близким к единице. Вследствие преобразования интерференционной картины из синусоидальной в пикообразную значительно увеличивается точность определения координат интерференционных полос. Недостаток метода состоит в необходимости нанесения зеркального покрытия на исследуемую поверхность перед каждым сеансом контроля и удаления покрытия после окончания контроля.

Известен также способ (2) повышения точности интерференционных измерений путем выделения экстремумов полос за счет нелинейности характеристической кривой фотоматериала, используемого для регистрации интерференционной картины.

Недостатком способа является необходимость увеличения времени экспозиции при регистрации интерферограммы, что, например, невозможно в производственных условиях из-за наличия вибраций.

Известен также способ (3) повышения точности интерференционных измерений, включающий регистрацию интерференционной картины при помощи фотослоя с диффузным рассеиванием и наблюдение этого фотослоя при попеременном (в противофазе) освещении этого фотослоя по нормали к поверхности и под углом диффузного рассеивания.

Недостатком способа является ограниченность его функциональных возможностей, а именно - неприменимость в реальном масштабе времени.

Наиболее близким к заявляемому способу по количеству существенных признаков и по решаемой технической задаче - прототипом - является способ (4), включающий многократное переотражение зондирующего излучения между эталонной и исследуемой поверхностями перед сведением этих лучей и получением тем самым интерференционной картины, образованной нулевым и одним из многократно переотраженных исследуемой поверхностью лучей.

Недостатком способа является неопределенность его функциональных возможностей, проявляющаяся в неопределенности выбора количества переотражений, при которых чувствительность измерений и точность максимальны. С одной стороны, кажется, что чувствительность измерений увеличивается прямо пропорционально числу переотражений от исследуемой поверхности, с другой стороны, очевидно, что при многократных переотражениях резко возрастает уровень шумов, и в конце концов интерференционные полосы вообще перестают просматриваться на фоне зашумленного светового поля.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей метода, что достигается тем, что предлагаемый способ интерференционного измерения формы поверхности оптических деталей включает многократное зондирование исследуемой поверхности и получение интерференционной картины при наложении друг на друга нулевого и многократно переотраженного пучка, и последующий анализ интерферограммы, согласно изобретению, предварительно измеряют интенсивность максимума I_max и минимума I_min интерференционных полос для каждого числа n переотражений от исследуемой поверхности, затем рассчитывают видность интерференционной картины V=(I_max-I_min)/(I_max+I_min) для каждого n-ного прохода, а сами интерференционные измерения производят при таком количестве проходов n, при которых максимальна величина n·V_n

Чувствительностью любого измерительного прибора называют отношение изменения dl сигнала на входе прибора к вызывающему его изменению dx измеряемой величины. В интерферометрах величиной dx является изменение оптической разности хода при однократном прохождении или отражении излучения от зондируемого объекта. Под величиной dl следует понимать либо абсолютное dI либо относительное dI/I_max изменение интенсивности интерференционной картины.

Распределение интенсивностей в полосах многопроходовых интерферометров выражается зависимостью вида:

I_пр=I_пад·cos²(n·Δ/2),

где I_пр, I_пад - интенсивность падающего на интерферометр и прошедшего сквозь интерферометр излучения соответственно.

Если продифференцировать последнее выражение и найти экстремум чувствительности, то окажется, что она максимальна именно при n·V_n.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа осуществлялась при помощи установки СИН и входящих в нее элементов - гелий-неонового лазера ЛГ-38 с мощностью излучения 50 мВт, микрообъектива с фокусом 20 мм, коллимирующего объектива с фокусным расстоянием 400 мм и световым диаметром 50 мм и двух плоскопараллельных пластинок со световыми диаметрами 60 мм и коэффициентами отражения 80. Интенсивность излучения в максимумах и минимумах интерференции измерялась при помощи фотодиода ФД-24К. Для того, чтобы использовать максимально возможную площадь фотоприемника, настройку производили на 3 интерференционные полосы. При одном переотражении видность картины составила 0,8, при двух - 0,7, при трех - 0,61, при четырех - 0,49, при пяти - 0,41, при шести - 0,29, при семи - 0,15 и при восьми переотражениях картина практически пропала.

В соответствии с предлагаемым в данной заявке критерием необходимо выбрать либо четыре, либо пять проходов, при этом чувствительность и точность измерений по отношению к базовому, однопроходному методу повысится всего в два с половиной раза. Производить же измерения при семи проходах, когда интерференционная картина еще различима, не имеет смысла - чувствительность в этом случае в 1,75 раза выше исходной.

Предлагаемый способ может быть использован для исследования скачков плотности газовых потоков, приводящим к малым изменениям разности фаз интерферирующих пучков - до π/10. Именно в этих случаях предлагаемый метод многопроходовой интерферометрии максимально эффективен.

Источники информации

1. Скоков И.В. Оптические интерферометры. - М.: Машиностроение, 1979, 128 с. - аналог.

2. Скоков И.В., Носков М.Ф. Нелинейная фоторегистрация двухлучевых интерференционных картин. - Заводская лаборатория, 1984, N1, с.32-36 - аналог,

3. Патент РФ №2224982. Носков М.Ф. Способ интерференционного измерения формы поверхности оптических деталей - аналог.

4. SU 165904, Ю.П.Контиевский, 23.11.1964 - прототип.

Способ интерференционного измерения формы поверхности оптических деталей, включающий многократное зондирование исследуемой поверхности и получение интерференционной картины при наложении друг на друга нулевого и многократно переотраженного пучка, и последующий анализ интерферограммы, отличающийся тем, что предварительно измеряют интенсивность максимума I_max и минимума I_min интерференционных полос для каждого числа n переотражений от исследуемой поверхности, затем рассчитывают видность интерференционной картины V=(I_max-I_min)/(I_max+I_min) для каждого n-ного прохода, а сами интерференционные измерения производят при таком количестве проходов n, при которых максимальна величина n·V_n.