интерферометр для контроля отклонений от плоскостности

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.

Описание изобретения к патенту

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 , углом падения недифрагировавшего пучка на контролируемую поверхность объекта и длиной когерентности интерферирующих пучков lк следующим соотношением:

h₀ l_к/2[cos (1 sin sin )/cos ]

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 , углом падения недифрагировавшего пучка на контролируемую поверхность объекта и длиной когерентности интерферирующих пучков следующим соотношением:

h₀ l_к/2[cos (1 sin sin )/cos ]

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 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 (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 и 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 h <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 - (1 sin sin )/cos ] (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 (1 sin sin )/cos (3)

Если при смещении контролируемой поверхности (фиг. 2) на величину h происходит изменение разности хода на l, то выражение (3) принимает вид

h l/2[cos - (1 sin sin )/cos (4)

Для определения цены интерференционной полосы К необходимо, чтобы l=, т.е.

К h= /2[cos (1 sin sin/ /

/cos (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 и . При этом узел светоделителя 2 может быть выполнен сменным. Дифракционные решетки в качестве светоделителя 2 можно выбирать из выражения

d(sin sin ) m m 1,2, (6)

Тогда выражение (5) при m 1 принимает вид

К /{2[cos 1/cos (cos² sin /d)] (7)

Рассмотрим пример для 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 и 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 и 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 (-) 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.