книги из ГПНТБ / Оптико-электронные приборы сборник статей

Д л я диапазонов изменения углов срг и фв, заданны х в имитаторе

Ускорение ф„ выражается по формуле, аналогичной (12), где фг нужно заменить углом фв, а фв —углом фг. Следовательно, величи­

на тах{фм( не превосходит максимального значения ускорения фв'. Таким образом, системы координат фв', фг и ф„, фг практически равноценны с точки зрения возникающих максимальных значений

скоростей и ускорений изменения угловых координат фв и фн. По­ этому системы координат для определения положения визирного луча необходимо выбирать, исходя из конструктивных сообра­ жений.

Система координат фв , ф Вг

Исследуем скорость изменения угла фв , которая определяется формулой

Пусть фв = 0, тогда фВг =с!^фгфвДля 0< )фг I < 13° скорость изме­ нения угла фВг очень большая: при фг=13° величина фв, =4,33фв,

при фг=2°17 скорость фВг = 25фв; для меньших фг она еще более

возрастает.

Значит рассматриваемая система координат, как и вообще все системы координат, в которых одной координатой является

91

УДК 035.52 : 62!..ih3

Инж. В. Е. ЗУБАРЕВ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОСКОСТНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Практика оптических измерений показывает, что визуальный метод оценки качества поверхностей оптических деталей по кривиз­ не интерференционных полос равной толщины обычно дает точ­ ность не выше 0,1—0,05 ширины полосы*. Точность можно несколь­ ко повысить, если измерять кривизну полос интерференционной картины, наблюдаемой при наложении пробного стекла на блок из исследуемых деталей. Затем суммарную ошибку следует пересчи­ тать в ошибку отдельной детали.

Многолучевая интерференция позволяет получить узкие и конт­ растные полосы и соответственно увеличить точность отсчета до 0,01 полосы или несколько выше. Однако при этом на исследуемую поверхность необходимо наносить специальное покрытие, что может внести дополнительные ошибки.

Ниже описывается метод измерения качества поверхности оптических пластин, который основан на использовании фотоэлек­ трической регистрации изменения интенсивности энергии в интер­ ференционной картине, полученной при наложении одной пластины на другую.

Сущность метода

Интенсивность отраженного света / является периодической функцией воздушного промежутка h между двумя поверхностями клина. Отступление исследуемой поверхности от плоскости задает­ ся в долях интерференционной полосы. Поэтому представляет интерес зависимость между интенсивностью отраженного света / и перемещением интерференционной картины s относительно падаю­ щего на пластины пучка света. Интенсивность отраженного света измеряем фотоэлектронным умножителем, ток / которого пропор­ ционален интенсивности света / при нормальных режимах рабо­ ты ФЭУ.

В табл. 1 приведены результаты опытного нахождения зависи­ мости i=[(s) для одной из пар исследуемых пластин. В этой паре

* З а х а р ь е в с к и й А. Н. Интерферометры. М„ Оборонгнз, 1952, стр. 28.

93

одна пластина эталонная, т. е. ошибки ее поверхности известны и минимальны, другая — исследуемая. Воздушный клин между пла­ стинами введен искусственно.

Рассмотрим характерные особенности экспериментальной кри­ вой i= /(s), построенной по данным табл. 1 (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости i = f(s).

Форма кривой близка к затухающей синусоиде. Другая особен­ ность кривой в том, что расстояние между максимумами увеличи­ вается при перемещении светового пучка от вершины воздушного клина к его основанию. В интерференционной картине, полученной с помощью монохроматичного источника света, расстояние между полосами остается постоянным и контраст полос меняется незна­ чительно. Но в исследуемой установке источник света (ртутная лампа) не монохроматичен. Каждая из волн, входящая в состав излучения ртутной лампы, дает собственную систему полос и меж­ ду лучами различных длин воли интерференции не возникает. Окончательная интерференционная картина получается как прос­ тое наложение отдельных систем полос..

Такое наложение различных систем полос уменьшает контраст суммарной интерференционной картины. Этому способствует и различная чувствительность фотоэлектронного умножителя к свету различных длин волн. В этом же надо искать причину изменения расстояния между максимумами тока i на рис. 1.

Однако указанное явление мало существенно, так как отступле­ ние формы поверхности от плоскости измеряется на ограниченном участке кривой, принятом для простоты за отрезок прямой. Осталь­ ные участки кривой могут быть использованы при исследовании поверхности пластины в других сечениях.

95

Выделим на кривой t'=/(s) те участки, где зависимость / от s можно признать линейной с очень малой погрешностью. Наиболь­ ший наклон кривой к оси абсцисс в частном случае получается в точке В и определяется графически после точного построения кри­ вой. Оказывается, что значительный участок кривой по обе стороны от точки В можно принять за отрезок касательной к кривой в

точке В.

На рис. 1 границы линеаризированного участка кривой обозна­ чены точками Л и С, причем разность перемещений светового пучка для точек А: и С выбрана равной 0,1 а, где а — ширина полосы. Практика измерений показывает, что расширение участка линеари­ зации до размеров, соответствующих перемещению светового пучка на 0,2 а, вносит ошибку в определение угла наклона касательной не

выше 3%.

Конечный результат обработки экспериментальной кривой нахождение коэффициентов пропорциональности k для зависимо­ сти i = ks, справедливой, как уже отмечалось, лишь для линеаризи­ рованных участков кривой i=f(s).

Пусть теперь пучок перемещается вдоль интерференционных линий. Добьемся такого положения интерференционной картины относительно направления смещения пучка света, чтобы значения тока i для двух крайних положений этого пучка были приблизи­ тельно равны значению тока i для точки В. Если в сечении клина, определяемом направлением смещения пучка света, толщина воз­ душного промежутка останется постоянной, то при переходе пучка из одного крайнего положения в другое значение тока не изменит­ ся. При известном профиле эталонной поверхности в рассматри­ ваемом сечении можно сделать вывод о том, что исследуемая де­ таль имеет такой же профиль поверхности, как и эталонная.

В действительности при переходе пучка из одного крайнего по­ ложения в другое ток меняется, что указывает на изменение воз­ душного промежутка. Если при этом значения тока укладываются

36

Описание установки

Для исследования плоскостности оптических деталей создана установка, схема которой приведена на рис. 2. Установка гтредстав-

Рис. 2. Принципиальная схема установки для исследования плоскостности оптических деталей.

ляет собой вариант интерферометра для получения локализован­ ных полос равной толщины.

Ртутная лампа 1 освещает ирисовую диафрагму 2, находящую­ ся в фокусе объектива 7. Расходящийся пучок света отражается от полупрозрачной поверхности призмы 3 и попадает на объектив 7, из которой выходит слабо расходящийся пучок лучей. Этот пучок проходит через ирисовую диафрагму 8 и надает на эталонную и исследуемую пластины 9. Специальная оправа (на рис. 2 не пока­ зана), в которой находятся пластины 9, позволяет с помощью трех котировочных пружин, давящих на верхнюю (эталонную) пластину, вводить между эталонной и исследуемой поверхностями воздушный клин такой величины, чтобы получить в поле интерференции тричетыре полосы. Оправа пластин размещена на верхнем столе 10 и может поворачиваться вокруг своей оси.

Стол 10 установлен на грех юстировочных винтах, с помощью которых пластины 9 располагаются перпендикулярно к падаю-

тему на них пучку света. Кроме того, стол 10 может переме­ щаться в горизонтальной плоскости во взаимно-перпендикулярных направлениях относительно основания 11 с помощью двух микро­ метрических винтов. Направляющие для этих перемещений выпол­ нены с высокой степенью точности.

Свет, отразившись от пластин 9 и пройдя объектив 7 и призму 5, попадает на катод фотоэлектронного умножителя 4.. Последний подключен непосредственно к микроамперметру 6. Ртутная лампа запитывается переменным током через феррорезонансный стабили­ затор напряжения 12 и нормализованный прибор включения ртут­ ной лампы 13. Питание ФЭУ осуществляется от источника высоко­ вольтных напряжений 5, имеющего собственный электронный ста­ билизатор напряжения.

В установке применены следующие приборы и элементы: ртут­ ная лампа высокого давления ПРК-4, нормализованный прибор включения ЛКП-2, феррорезонансный стабилизатор напряжения С-0,9, источник высоковольтных напряжений ИВН-1, фотоэлек­ тронный умножитель ФЭУ-27, микроамперметр типа ЛМ на 75мка, объектив коллиматора с /' = 550 мм.

Остановимся на особенностях оптической схемы установки.

Как известно, в теории интерферометров существуют понятия входного зрачка, выходного люка и соответственно выходного зрачка и входного люка. В нашей схеме источник света (диаф­ рагму 2) можно назвать входным зрачком L интерферометра. Вы­ ходным люком (плоскостью, в которой наблюдается интерферен­ ционная картина) в схеме является исследуемая поверхность ниж­ ней пластины. Объясняется это тем, что на пластины падает телецентрический пучок лучей, ось которого нормальна к пластинам. Это приводит к тому, что исследуемая поверхность нижней пласти­ ны будет плоскостью локализации, т. е. плоскостью, в которой можно получить интерференцию при широком источнике света. Следовательно, в схеме можно применить широкий входной зра­ чок. Контраст интерференционной картины при этом почти не уменьшится.

Для обеспечения достаточной чувствительности и стабильно­ сти работы фотоумножителя необходимо, чтобы выходной зрачок оптической системы занимал оптимальную площадь на чувстви­ тельной поверхности приемника, т. е. на катоде ФЭУ. При слишком малых величинах энергетического пятна на катоде ФЭУ последний быстро выходит из строя, возникает нестабильность его работы и т. д.; при слишком больших величинах энергетического пятна падает чувствительность ФЭУ. Обычно рекомендуется занимать центральный участок чувствительной поверхности с действующей площадью энергетического пятна, равной 70—80% площади всей (или паспортной) поверхности ФЭУ. Таким образом, размер катода ФЭУ определяет размер выходного зрачка системы.

В общем случае в интерферометре получаются два выходных зрачка Lx и L2, расстояние между которыми зависит от клиновид-

98

ности воздушного слоя (от ширины полос). В нашем случае на пластинах диаметром 30 мм расположено три-четыре полосы: клиновидность слоя воздуха приблизительно равна 6". Тогда рас­ стояние между L\ и U будет порядка 0,04 мм, т. е. выходные зрачки L| и Ь2 практически сольются.

Диаметр рабочей части катода ФЭУ равен 25 мм, следователь­ но, входной зрачок (в нашей схеме входной и выходные зрачки равны) L = 21-н 22 мм. Поэтому в качестве источника света в уста­ новке взята ртутная лампа с широким светящимся телом, обеспе­ чивающим заполнение входного зрачка системы. Правда, источник света не совпадает с входным зрачком системы, однако и интерфе­ ренционная картина от этого не пострадает.

Рассмотрим вопрос о влиянии размеров входного зрачка L на контраст полос.

Изменение разности хода интерферирующих лучей, вызванное наличием широкого входного зрачка, приводит к ослаблению конт­ раста полос. Происходит это потому, что элементарные картины от отдельных точек зрачка сдвинуты одна относительно другой. Для получения хорошего контраста этот сдвиг не должен превышать небольшой доли полосы. При расчетах схем интерферометров

X

допускают изменение разности хода на зрачке A = -^—.

Допустимый диаметр входного зрачка

где }' — фокусное расстояние объектива 7 (см. рис. 2);

п— показатель преломления вещества, заключенного между поверхностями клина;

к— длина волны света;

h — наибольшая толщина клина.

Для установки принято; /'=550 мм\ п —1; А=0,5 м/с; h= 1 мк. От­ сюда £Доп=390 мм. Расчет позволяет сделать вывод, что входной зрачок L= 22 мм, выбранный из условия оптимального заполнения катода ФЭУ, очень незначительно уменьшит контраст полос.

Коснемся выбора места расположения диафрагмы 8. Выполняя роль апертурной диафрагмы для пучка света, падаю­

щего на пластины, диафрагма 8 выделяет определенный участок поля интерференции. Так как входной зрачок имеет значительные размеры, из объектива коллиматора выходит расходящийся пучок лучей. Нам же необходимо выделить по возможности меньший участок поля интерференции. Поэтому диафрагму 8 необходимо расположить как можно ближе к пластинам. Тогда через нее смо­ гут пройти наклонные лучи, что выгодно в энергетическом отноше-

нни. В то же время эти лучи не смогут значительно расширить диаметр светового пятна на пластинах по сравнению с диаметром диафрагмы 8.

Во время измерений на описываемой установке диаметр диаф­ рагмы был равен 2 мм.

Методика измерений

Перед измерением в оправу помещаем исследуемую и эталон­ ную детали. С помощью котировочных пружин добиваемся такой интерференционной картины, чтобы на поверхности пластин диа­ метром 30 мм было видно три-четыре полосы. Перед наложением пластин соприкасающиеся поверхности тщательно очищаем. Оправу с пластинами ставим на стол 10 (рис. 2).

Если в установке вместо ФЭУ поместить глаз и открыть диаф­ рагму 8, то перед измерением можно визуально отметить грубые ошибки исследуемой пластины. После этого разворачиваем оправу на столе так, чтобы интерференционные полосы стали параллель­ ными направлению продольного перемещение стола. Затем ставим на свое место ФЭУ, уменьшаем диафрагму 8 до диаметра 2 мм,- и с помощью трех котировочных винтов устанавливаем пластины пер­ пендикулярно к падающему на них пучку лучей. Это положение отмечается по максимальному току ФЭУ. Потом при поперечном движении стола снимаем зависимость i—f(s).

Найдем коэффициент k' для полосы, лежащей близко к центру пластин. Пусть это будет полоса, максимум которой отмечен точ­ кой D на рис. 1. От экспериментатора зависит, по какую сторону от

максимален, и se — положение стола, при котором ток i е ФЭУ минимален. Величина se — s о соответствует, таким образом, ши-

а

рине полуполосы — .

Определяем положение стола, соответствующее середине полуполосы s в (точке В на кривой). Для нахождения коэффициента к' необходимо задать границы участка линеаризации, т. е. точки/4 и С. В этом случае перемещение стола sc —«л . может быть взято 0,1

Sc =26,9 мм: Iа =63,0 мка\ ic =51,75 мка: £'=104 мка/а.

Отметим, что коэффициент к' можно найти графически, проведя

100