Контроль формы плоских поверхностей

Метод коллиматора и зрительной трубы

Метод основан на использовании свойства плоских поверхностей, согласно которому плоский волновой фронт при отражении от идеальной плоской поверхности не меняет своей формы, а только поворачивается на определенный угол. Если отражающая поверхность имеет не строго плоскую форму, например сферичность, то это приведет к деформации волнового фронта, а деформация волнового фронта снизит разрешающую способность системы, в состав которой входит контролируемая поверхность.

Для осуществления контроля формы плоских поверхностей этим методом необходимо иметь коллиматор и зрительную трубу, предварительно выверенные на бесконечность. На рис.7. приведена схема установки, позволяющая реализовать данный метод.

В фокальной плоскости объектива коллиматора 2 располагается штриховая или радиальная мира 1, изображение которой рассматривается с помощью зрительной трубы (объектив 4 и окуляр 5). Контролируемая поверхность 3 располагается таким образом, чтобы лучи, выходящие из объектива коллиматора, после отражения от нее попали в объектив зрительной трубы.

Качество поверхности оценивается по разрешающей способности всей системы в целом (коллиматор, контролируемая плоская поверхность и зрительная труба) путем сравнения ее с разрешающей способностью этой же системы без плоской поверхности. С этой целью контролируемую поверхность исключают из схемы измерений, а ось коллиматора совмещают с осью зрительной трубы. Для оценки качества поверхности служит коэффициент ,

где φ –разрешающая способность всей системы;

φ_о –разрешающая способность системы без плоской поверхности.

Этот метод позволяет дать только косвенную оценку качества плоской поверхности, хотя во многих практических случаях этой оценки достаточно.

Основными достоинствами данного метода является его простота и доступность в сочетании с небольшими затратами времени. Кроме того, контроль протяженных плоских поверхностей можно осуществить с помощью коллиматора и зрительной трубы, диаметр объектива которых значительно меньше контролируемой плоскости. Из рисунка видно, что L = D sc i, где D – диаметр объектива коллиматора.

Интерференционные методы контроля формы

плоских поверхностей

Для контроля формы плоских поверхностей в оптической промышленности широко применяют интерференционный метод, при котором часто используют метод пробных стекол и интерферометры типа Физо. Рассмотрим эти методы.

Метод пробных стекол

Наибольшее распространение получил метод пробных стекол, так как он имеет достаточно высокую точность в сочетании с простотой и наглядностью оценки качества контролируемой поверхности.

Сущность метода основана на использовании интерференционных явлений, возникающих в тонком воздушном слое между контролируемой и эталонной поверхностями.

Схема метода пробных стекол и образования интерференционной картины при контроле формы плоских поверхностей, приведены на рис.8.

Пусть пластина 1 имеет идеально плоскую нижнюю поверхность, образующую тонкий клинообразный слой с контролируемой верхней поверхностью пластины 2.

Луч, падающий на пластину 1 приблизительно по нормали к нижней поверхности, частично отражается в точке А. Интенсивность отраженного луча составляет 4-5% первоначальной интенсивности. Второе отражение луча, вышедшего из пластины 1 происходит в точке В, расположенной на контролируемой поверхности. Таким образом, возникают два когерентных луча, имеющих приблизительно одинаковую интенсивность. Поверхность ОА служит разделительным элементом в простейшем интерферометре. Очевидно, что разность хода между интерферирующими лучами равна величине удвоенного воздушного зазора в наблюдаемой точке, т.е. 2h. Угол α воздушного клина равен отношению , а ширина интерференционной полосы b в данном случае равна b= , где – λ длина волны света, используемого для наблюдения интерференционной картины.

Если h= , то ширина одной интерференционной полосы займет все поле интерференции т.е. a=b. В клинообразном слое, образованном плоскими поверхностями, наблюдаются интерференционные полосы равной толщины, параллельные ребру клина.

Качество контролируемой поверхности оценивается по искривлению интерференционных полос. Форма интерференционной полосы по значению и знаку воспроизводит профиль воздушного слоя, заключенного между поверхностями в сечении, параллельном направлению полос.

Для количественной оценки качества поверхности (рис.8-III) используют формулу, позволяющую вычислить отклонения контролируемой поверхности от эталонной: , где y-стрелка прогиба интерференционной полосы, а b- ее ширина. Обычно общие погрешности плоских поверхностей оценивают отношением .

Для определения знака погрешности поверхности, следует нажать на край пробного стекла. Если интерференционные полосы стягиваются к точке нажатия, то на контролируемой поверхности имеется бугор, в противном случае - яма.

Главное преимущество контроля поверхностей с помощью пробного стекла заключается в его простоте, а также в возможности использования непосредственно на рабочем месте. Однако метод имеет и существенные недостатки: необходимость тщательной очистки поверхности контролируемой детали и уравнивания температуры детали и пробного стекла, что значительно снижает производительность контроля, возможность повреждения контролируемой поверхности при наложении на неё пробного стекла; точность метода во многих случаях оказывается недостаточной.

Бесконтактный метод контроля плоских поверхностей

на интерферометрах Физо.

В интерферометрах Физо, в которых для оценки качества поверхности используют как полосы равного наклона, так и полосы равной толщины, устранен главный недостаток пробных стекол - контакт эталонной и контролируемой поверхностей. Полосы равной толщины чаще применяют на практике ввиду их большей наглядности и простоты.

На рис.9 приведена схема интерферометра Физо. Оптическая схема

интерферометра содержит монохроматический источник света 1(ртутная лампа),

к онденсор 2 и диафрагму 3, установленную в фокусе F объектива коллиматора 5. За объективом расположена клиновидная пластинка 6, нижняя поверхность которой является эталонной. Параллельный пучок лучей, выходящий из объектива 5, поступает на эталонную поверхность пластины 6 и, частично отражаясь от неё, проходит к контролируемой поверхности детали 7.

После отражения от контролируемой поверхности лучи света идут в обратном направлении, накладываются на лучи, отраженные от эталонной поверхности и интерферируют с ними. Полупрозрачная пластинка 4 служит для направления лучей в зрачок глаза 8 наблюдателя, с центром которого совмещена точка A_1, являющаяся изображением центра А диафрагмы 3. В этом положении глаза наблюдатель рассматривает интерференционную картину, локализованную в воздушном зазоре между поверхностями Э и К.

Для получения интерференционной картины контролируемая поверхность К должна быть расположена параллельно эталонной поверхности, что проверяется по совмещению автоколлимационных изображений диафрагмы 3, наблюдаемых глазом с центром перекрестия дополнительного сменного окуляра (на рисунке не показан).

Форма интерференционных полос в увеличенном масштабе воспроизводит топографию контролируемой поверхности. Количественная оценка погрешности аналогична оценки погрешности методом пробных стекол. Точность контроля на интерферометрах типа Физо зависит от многих факторов. К основным относятся: отклонение эталонной поверхности от идеальной, сферическая аберрация коллиматорного объектива, погрешность оценки значения искривления интерференционных полос, взаимный сдвиг интерферирующих волновых фронтов, вызванный наклонным падением пучков на воздушную плоскопараллельную пластину, образованную поверхностями Э и К. Достигаемая на практике точность составляет приблизительно 0.05-0.1 ширины полосы.

Для повышения точности измерения используют многолучевую интерференцию, для чего на эталонную и контролируемую поверхности наносят зеркальные покрытия. Качество контролируемой поверхности, как и в двухлучевом интерферометре оценивается по искривлению полос. Благодаря узким максимумам интенсивности света и большим расстояниям между полосами их искривление может быть измерено с точностью до 0.01 ширины полосы, а при благоприятных условиях точность может быть повышена до 0.002 интервала между полосами.

Для контроля формы плоских поверхностей больших размеров применяют другие методы и приборы. Основная трудность контроля крупногабаритных поверхностей заключается в необходимости использования эталонной поверхности, размеры которой соизмеримы с контролируемой. Изготовление эталонных поверхностей больших размеров – сложная техническая задача.

Большой интерес представляют схемы контроля, основанные на использовании свободной поверхности жидкости в качестве эталона плоскости. Заметим, что радиус кривизны свободной поверхности жидкости равен радиусу земного шара ( 6400км). Например, стрелка прогиба поверхности жидкости диаметром 1.5м равна 0.044мкм , и ее уже необходимо учитывать при точных измерениях. При этом используют поверхность воды, ртути или масла. При использовании неоднородного по составу масла и наличии электростатического заряда возникают местные деформации поверхности, которые исчезают после перемешивания масла и снятия сего поверхности заряда. Кроме того, вибрации сосуда с жидкостью вызывают рябь на ее поверхности, поэтому для выполнения точного контроля требуется надежная виброзащита прибора. Эти недостатки послужили основной причиной ограниченного практического использования этой интересной идеи.