Міністерство освіти Республіки Білорусь
Установа освіти
«Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ »
РЕФЕРАТ
на тему:
«Методи вимірювання точності форми робочих поверхонь оптичних деталей (сфери, площини)»
МІНСЬК, 2008
Поверхні оптичних деталей є частини сфери у лінз і сферичних дзеркал або частини площині у платівок, клинів, призм і плоских дзеркал. Такі поверхні можуть мати погрішності як за загальною кривизні або площинності, так і за місцевими помилок. Допуски на ці похибки задаються кількістю інтерференційних кілець або смуг, або їхніх часток. Зазвичай на практиці інтерференційну картину прийнято називати "кольором".
Допуск на загальну помилку від номінального радіуса кривизни або від ідеальної площині прийнято позначати буквою N. Кількість інтерференційних кілець або смуг проставляється поруч з чисельним виразом, наприклад N = 3,0. Одне кільце в лінійній мірі відповідає товщині повітряного проміжку в 0,00025 мм; 4 кільця - 0,001 мм (1 мкм).
Схематичне зображення відступів від заданого радіуса кривизни сферичної поверхні показано на рис.1. Якщо повітряний проміжок більше в центрі, виходить так звана "яма", а якщо з країв - "бугор". При натиску зверху кільця розходяться в напрямку, зазначеному стрілками.
Рис.1. Схематичні зображення відступів від радіуса кривизни («яма», «бугор»):
1-пробне скло; 2-деталь
На рис.2 показані деякі випадки виявлення помилок як у випадку сферичних поверхонь, так і плоских. Розтягнутий, еліптичний вигляд кольорових кілець (рис.3) вказує на те, що в двох взаємно перпендикулярних перерізах поверхню лінзи має різні радіуси кривизни (астигматизм, циліндр). Величина астигматизму визначається відношенням відстаней h між червоними інтерференційними кільцями (ширина смуги).
Місцеві помилки (ΔN) поверхні є порушенням рівномірності її профілю, що виявляється при накладення пробного скла характерними викривленнями інтерференційних смуг або кілець. Зазвичай допуски на загальні відступу від радіусів (N) задають в межах від 0,1 до 10 кілець, а на місцеві (ΔN) від 0,05 до 2 кілець, причому одночасне співвідношення N / ΔN ≤ 5 / 1 ÷ 2 / 1.
Необхідно враховувати, що температура приміщення впливає на правильність вимірювань N і ΔN. Так, наприклад, якщо в приміщенні температура нижче нормальної, то "колір", як прийнято говорити, йде на "бугор", якщо вище нормальної - на "яму". Це пояснюється деформуванням поверхні деталі від впливу температури.
Рис.2 Загальні та місцеві помилки поверхні: а - місцева помилка відсутня; б - «бугор» N = 0,5; в - «бугор» N = 0,5, місцева «яма» ΔN = 0,25, р - « яма »N - 0,25; д -« яма »N = 1,0 місцевий« бугор »ΔN = 0,5 (хрестом вказано місце натиску при накладення пробного скла)
Рис.3 Схематичне зображення астигматичних помилки на поверхні лінзи
Пробним склом вимірюється не лише точність поверхні, але і для сфер відхилення радіуса від номінального як сума відхилень R пробного скла від R ном. І R дет від R пробного скла. У випадку плоских поверхонь виміряна величина R дає оцінку сферичності плоскій поверхні.
Метод пробного скла контактний і може стати джерелом появи дефектів чистоти.
Безконтактна перевірка проводиться на інтерферометра.
Принципова оптична схема інтерферометрів, використовуються для контролю форм плоских поверхонь, вказана на черт.1.
Монохроматичний джерело світла за допомогою конденсатора і світлофільтру висвітлює отвір діаграми, встановленої у фокальній площині об'єктива. Що вийшли з об'єктиву паралельні пучки потрапляють на клиноподібну пластину, нижня поверхня якої є поверхнею зразка порівняння і потім на контрольовану поверхню дзеркала. Відбилися від зразкової і контрольованою поверхонь пучки повертаються у зворотному напрямі і силами светоделітельной пластини направляються до наглядової систему.
Принципова оптична схема інтерферометра, використовуваного для контролю сферичних поверхонь, вказана на черт.2.
Пучок світла від лазерного джерела за допомогою дзеркал і телескопічної трубки спрямовується на мікрооб'єктів, збирається в його фокусі F, з яким постійно суміщений центр кривизни зразкового сферичного дзеркала. Потім пучок направляється на діагональну грань светоделітельного кубика, де ділиться на два пучки - сигнальний і опорний. Опорний пучок проходить через светоделітельную грань, потрапляє на дзеркало, відбивається від нього і збирається в точці F'', що є автоколімаційних зображенням точки F '. Сигнальний пучок, відбившись від светоделітельной грані кубика, направляється до контрольованої деталі, центр кривизни якої поєднується з фокусом F '. Відбитий пучок збирається в точці F''і при поєднанні сигнального та опорного пучків вони інтерферують між собою. Спостереження ведеться з точок F''і F'''.
Черт.1
1-джерело світла; 2-конденсорная лінза; 3-світлофільтр; 4-діафрагма; 5-светоделітельная пластина; 6-об'єктив; 7-клиноподібна пластина (зразок порівняння); 8 - контрольоване
дзеркало; 9 - наглядова система
Черт.2
1-джерело світла; 2-дзеркала; 3-телескопічна трубка; 4-мікрооб'єктів; 5-светоделітельний кубик 6-сферичне дзеркало
(Зразок порівняння); 7-контрольоване дзеркало
При контролі плоских поверхонь інтерференційну картину отримують, регулюючи зазор між контрольованою поверхнею і поверхнею зразка порівняння.
Проведення вимірювань.
Вимірювання величини загальної та місцевої помилок проводять відповідно до інструкції з експлуатації.
Для вимірювання інтерферограм застосовують контрольно-вимірювальні прилади, що забезпечують похибка вимірювання не більше 0,05 інтерференційної смуги.
Проводять вимірювання інтерферограм, визначаючи стрілку прогину H і відстань між смугами l (черт.3).
Черт.3
На рис. 3а дано приклад інтерферограм поверхні, що має тільки загальну помилку N = 0,4, а на рис. 3б - місцеву, ΔN = 0,3 інтерференційної смуги.
Дані записують у робочий журнал, форма якого наведена в додатку 2.
Визначають знак помилки поверхні (бугор або яма).
Для цього необхідно становище ребра клину, утвореного або двома поверхнями (при контролі плоских поверхонь), або двома интерферирующими хвильовими фронтами (при контролі сферичних поверхонь).
Визначення знаку помилки поверхні наведено в додатку 3.
ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ.
1.1.Общая помилку визначають за формулою
де
Допускається визначити загальну помилку N
1.2. Місцеву помилку обчислюють за формулою
де
1.3. Дані записують в журнал.
Приклад запису вимірювання помилки поверхні даним методом:
ПРИКЛАДИ інтерферограм, що характеризує можливі МІСЦЕВІ ПОМИЛКИ ПОВЕРХОНЬ.
У додатку дані в аксонометричній формі найбільш часто зустрічаються на практиці дефекти поверхонь, а також відповідні їм інтерференційні картини.
2.1. Астигматичних ПОМИЛКА.
На рис. 1а наведено приклад поверхні, що має астигматизм. У такої поверхні радіуси кривизни в двох головних взаємно перпендикулярних перерізах різні.
Вид смуг залежить від величини астигматизму і положення ребра клину. На рис. 1б представлена інтерферограм, відповідна настройці приладу, коли ребро клину знаходиться у нескінченності.
На рис. 1в інтерферограм відповідає випадку, коли ребро клину паралельно одному з головних перетинів. Змінна ширина смуг свідчить про наявність астигматизму.
На рис. 1г інтерферограм характеризує налаштування, при якій ребро клину нахилене до одного з головних перетинів. Смуги в цьому випадку мають віялоподібно форму.
Черт.1
2.2. ПОМИЛКА Осесиметрична ХАРАКТЕРУ.
На рис. 2а показана поверхня, що має "яму" в центрі і завал по краю.
Під час прийому смуги кільцевої форми (рис. 2б) частота смуг змінюється не монотонно.
Незамкнуті смуги мають хвилясту форму, що повторює в масштабі профіль поверхні в цьому перерізі, де проходить спостерігається смуга (рис. 2в).
Чорт. 2
На рис. 2 показана поверхню з "бугром" в центрі, "ямою" між центром і краєм і піднесеним краєм. Інтерференційна картина для даної поверхні ідентична, показаної на рис. 2. Дійсний профіль поверхні визначається шляхом знаходження положення клина.
Чорт. 3
2.3. ПОМИЛКА Асиметричний ХАРАКТЕРУ (ПОВЕРХНЮ З ОДНІЄЇ ВІССЮ СИМЕТРІЇ)
На рис. 4а показана поверхня, що має один край підведений, інший завалений. Вид від неї інтерференційних картин зображений на малюнках:
4б - замкнуті смуги,
4в - смуги вертикального напрямку,
4г - смуги горизонтального напрямку.
Чорт. 4
2.4. ПОВЕРХНЮ, НЕ МАЄ ПОМИЛОК
На рис. 5 показано інтерференційна картина, отримана від поверхні з такою малою помилкою, що нею можна знехтувати.
Черт.5
Для цього, інтерференційну картину налаштовують на бажаний напрям смуг. Потім за допомогою лупи взаємне положення автоколімаційних зображень точки F, отриманих від робітника і опорного пучків. Ребро клину розташовується перпендикулярно лінії, що з'єднує зазначені зображення, причому з боку зображення від зразкової поверхні. Після визначення положення ребра клину знак помилки визначають як зазначено вище.
Для визначення знака помилки поверхні в умовах вібрацій рекомендується один з наступних способів:
Налаштовують інтерференційну картину так, щоб смуги займали горизонтальне положення, потім під нижню частину робочого пучка вводять предмет, нагрітий та температури 100-300 0 С.
Потік нагрітого повітря називають викривлення смуг подібне "бугра" на поверхні, викривлення в протилежному напрямку відповідає "ямі" (спосіб 1).
Розглядають тільки предфокальную інтерференційну картину, де загальне викривлення смуг завжди відповідає "бугра" на поверхні (рис. 8а).
Якщо напрямок викривлення інтерференційних смуг при визначенні місцевої помилки збігається із загальним викривленням смуг, то це відповідає "бугра" на поверхні (рис. 8б), місцеве викривлення інтерференційних смуг в протилежному напрямку (рис. 8в) відповідає "ямі" (спосіб 2).
Черт.8
ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ ПОВЕРХНІ
3.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ ПЛАСКИЙ ПОВЕРЗНОСТІ
Знаходять положення ребра клину між перевіряється і зразковою поверхнями. Для цього роблять легкий натиск на край столу вгору або вниз поблизу точки А або Б (рис. 1).
Черт.1
Наприклад, якщо при натиску вниз ширина смуг зменшується, то це означає, що ребро клину знаходиться на стороні, протилежній точці натиску. Натиск вгору призводить в цьому випадку до розширення смуг.
Визначають знак помилки. Поверхня має яму, якщо опуклість дуг або місцеві вигини смуг спрямовані у бік ребра клину. Якщо зазначені викривлення смуг спрямовані в бік, протилежний ребру клина, що перевіряється поверхня має горб.
Приклад. На рис. 1 ребро клину розташоване в точці В. Отже, поверхня має яму.
Якщо у напрямку лінії АВ інтерферометр дає перевернуте зображення, то знак помилки буде протилежним вказаною вище.
3.2. ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ сферичної поверхні
Визначають положення ребра клину, утвореного інтерференційними хвильовими фронтами, рис. 2.
ЛІТЕРАТУРА
1. Малов О.М., Законников Обробка деталей оптичних приладів. Машинобудування, 2006. - 304 с.
2. Бардін О.М. Збірка і юстирування оптичних приладів. Вища школа, 2005. - 325с.
3. Кривов'яз Л.М., Пуряев Д.Т., Знам'янська М.А. Практика оптичної вимірювальної лабораторії. Машинобудування, 2004. - 333 с.
Установа освіти
«Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ »
РЕФЕРАТ
на тему:
«Методи вимірювання точності форми робочих поверхонь оптичних деталей (сфери, площини)»
МІНСЬК, 2008
Поверхні оптичних деталей є частини сфери у лінз і сферичних дзеркал або частини площині у платівок, клинів, призм і плоских дзеркал. Такі поверхні можуть мати погрішності як за загальною кривизні або площинності, так і за місцевими помилок. Допуски на ці похибки задаються кількістю інтерференційних кілець або смуг, або їхніх часток. Зазвичай на практиці інтерференційну картину прийнято називати "кольором".
Допуск на загальну помилку від номінального радіуса кривизни або від ідеальної площині прийнято позначати буквою N. Кількість інтерференційних кілець або смуг проставляється поруч з чисельним виразом, наприклад N = 3,0. Одне кільце в лінійній мірі відповідає товщині повітряного проміжку в 0,00025 мм; 4 кільця - 0,001 мм (1 мкм).
Схематичне зображення відступів від заданого радіуса кривизни сферичної поверхні показано на рис.1. Якщо повітряний проміжок більше в центрі, виходить так звана "яма", а якщо з країв - "бугор". При натиску зверху кільця розходяться в напрямку, зазначеному стрілками.
Рис.1. Схематичні зображення відступів від радіуса кривизни («яма», «бугор»):
1-пробне скло; 2-деталь
На рис.2 показані деякі випадки виявлення помилок як у випадку сферичних поверхонь, так і плоских. Розтягнутий, еліптичний вигляд кольорових кілець (рис.3) вказує на те, що в двох взаємно перпендикулярних перерізах поверхню лінзи має різні радіуси кривизни (астигматизм, циліндр). Величина астигматизму визначається відношенням відстаней h між червоними інтерференційними кільцями (ширина смуги).
Місцеві помилки (ΔN) поверхні є порушенням рівномірності її профілю, що виявляється при накладення пробного скла характерними викривленнями інтерференційних смуг або кілець. Зазвичай допуски на загальні відступу від радіусів (N) задають в межах від 0,1 до 10 кілець, а на місцеві (ΔN) від 0,05 до 2 кілець, причому одночасне співвідношення N / ΔN ≤ 5 / 1 ÷ 2 / 1.
Необхідно враховувати, що температура приміщення впливає на правильність вимірювань N і ΔN. Так, наприклад, якщо в приміщенні температура нижче нормальної, то "колір", як прийнято говорити, йде на "бугор", якщо вище нормальної - на "яму". Це пояснюється деформуванням поверхні деталі від впливу температури.
Рис.2 Загальні та місцеві помилки поверхні: а - місцева помилка відсутня; б - «бугор» N = 0,5; в - «бугор» N = 0,5, місцева «яма» ΔN = 0,25, р - « яма »N - 0,25; д -« яма »N = 1,0 місцевий« бугор »ΔN = 0,5 (хрестом вказано місце натиску при накладення пробного скла)
Рис.3 Схематичне зображення астигматичних помилки на поверхні лінзи
Пробним склом вимірюється не лише точність поверхні, але і для сфер відхилення радіуса від номінального як сума відхилень R пробного скла від R ном. І R дет від R пробного скла. У випадку плоских поверхонь виміряна величина R дає оцінку сферичності плоскій поверхні.
Метод пробного скла контактний і може стати джерелом появи дефектів чистоти.
Безконтактна перевірка проводиться на інтерферометра.
Принципова оптична схема інтерферометрів, використовуються для контролю форм плоских поверхонь, вказана на черт.1.
Монохроматичний джерело світла за допомогою конденсатора і світлофільтру висвітлює отвір діаграми, встановленої у фокальній площині об'єктива. Що вийшли з об'єктиву паралельні пучки потрапляють на клиноподібну пластину, нижня поверхня якої є поверхнею зразка порівняння і потім на контрольовану поверхню дзеркала. Відбилися від зразкової і контрольованою поверхонь пучки повертаються у зворотному напрямі і силами светоделітельной пластини направляються до наглядової систему.
Принципова оптична схема інтерферометра, використовуваного для контролю сферичних поверхонь, вказана на черт.2.
Пучок світла від лазерного джерела за допомогою дзеркал і телескопічної трубки спрямовується на мікрооб'єктів, збирається в його фокусі F, з яким постійно суміщений центр кривизни зразкового сферичного дзеркала. Потім пучок направляється на діагональну грань светоделітельного кубика, де ділиться на два пучки - сигнальний і опорний. Опорний пучок проходить через светоделітельную грань, потрапляє на дзеркало, відбивається від нього і збирається в точці F'', що є автоколімаційних зображенням точки F '. Сигнальний пучок, відбившись від светоделітельной грані кубика, направляється до контрольованої деталі, центр кривизни якої поєднується з фокусом F '. Відбитий пучок збирається в точці F''і при поєднанні сигнального та опорного пучків вони інтерферують між собою. Спостереження ведеться з точок F''і F'''.
Черт.1
1-джерело світла; 2-конденсорная лінза; 3-світлофільтр; 4-діафрагма; 5-светоделітельная пластина; 6-об'єктив; 7-клиноподібна пластина (зразок порівняння); 8 - контрольоване
дзеркало; 9 - наглядова система
Черт.2
1-джерело світла; 2-дзеркала; 3-телескопічна трубка; 4-мікрооб'єктів; 5-светоделітельний кубик 6-сферичне дзеркало
(Зразок порівняння); 7-контрольоване дзеркало
При контролі плоских поверхонь інтерференційну картину отримують, регулюючи зазор між контрольованою поверхнею і поверхнею зразка порівняння.
Проведення вимірювань.
Вимірювання величини загальної та місцевої помилок проводять відповідно до інструкції з експлуатації.
Для вимірювання інтерферограм застосовують контрольно-вимірювальні прилади, що забезпечують похибка вимірювання не більше 0,05 інтерференційної смуги.
Проводять вимірювання інтерферограм, визначаючи стрілку прогину H і відстань між смугами l (черт.3).
Черт.3
На рис. 3а дано приклад інтерферограм поверхні, що має тільки загальну помилку N = 0,4, а на рис. 3б - місцеву, ΔN = 0,3 інтерференційної смуги.
Дані записують у робочий журнал, форма якого наведена в додатку 2.
Визначають знак помилки поверхні (бугор або яма).
Для цього необхідно становище ребра клину, утвореного або двома поверхнями (при контролі плоских поверхонь), або двома интерферирующими хвильовими фронтами (при контролі сферичних поверхонь).
Визначення знаку помилки поверхні наведено в додатку 3.
ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ.
1.1.Общая помилку визначають за формулою
де
Допускається визначити загальну помилку N
1.2. Місцеву помилку обчислюють за формулою
де
1.3. Дані записують в журнал.
Приклад запису вимірювання помилки поверхні даним методом:
ПРИКЛАДИ інтерферограм, що характеризує можливі МІСЦЕВІ ПОМИЛКИ ПОВЕРХОНЬ.
У додатку дані в аксонометричній формі найбільш часто зустрічаються на практиці дефекти поверхонь, а також відповідні їм інтерференційні картини.
2.1. Астигматичних ПОМИЛКА.
На рис. 1а наведено приклад поверхні, що має астигматизм. У такої поверхні радіуси кривизни в двох головних взаємно перпендикулярних перерізах різні.
Вид смуг залежить від величини астигматизму і положення ребра клину. На рис. 1б представлена інтерферограм, відповідна настройці приладу, коли ребро клину знаходиться у нескінченності.
На рис. 1в інтерферограм відповідає випадку, коли ребро клину паралельно одному з головних перетинів. Змінна ширина смуг свідчить про наявність астигматизму.
На рис. 1г інтерферограм характеризує налаштування, при якій ребро клину нахилене до одного з головних перетинів. Смуги в цьому випадку мають віялоподібно форму.
Черт.1
2.2. ПОМИЛКА Осесиметрична ХАРАКТЕРУ.
На рис. 2а показана поверхня, що має "яму" в центрі і завал по краю.
Під час прийому смуги кільцевої форми (рис. 2б) частота смуг змінюється не монотонно.
Незамкнуті смуги мають хвилясту форму, що повторює в масштабі профіль поверхні в цьому перерізі, де проходить спостерігається смуга (рис. 2в).
Чорт. 2
На рис. 2 показана поверхню з "бугром" в центрі, "ямою" між центром і краєм і піднесеним краєм. Інтерференційна картина для даної поверхні ідентична, показаної на рис. 2. Дійсний профіль поверхні визначається шляхом знаходження положення клина.
Чорт. 3
2.3. ПОМИЛКА Асиметричний ХАРАКТЕРУ (ПОВЕРХНЮ З ОДНІЄЇ ВІССЮ СИМЕТРІЇ)
На рис. 4а показана поверхня, що має один край підведений, інший завалений. Вид від неї інтерференційних картин зображений на малюнках:
4б - замкнуті смуги,
4в - смуги вертикального напрямку,
4г - смуги горизонтального напрямку.
Чорт. 4
2.4. ПОВЕРХНЮ, НЕ МАЄ ПОМИЛОК
На рис. 5 показано інтерференційна картина, отримана від поверхні з такою малою помилкою, що нею можна знехтувати.
Черт.5
Для цього, інтерференційну картину налаштовують на бажаний напрям смуг. Потім за допомогою лупи взаємне положення автоколімаційних зображень точки F, отриманих від робітника і опорного пучків. Ребро клину розташовується перпендикулярно лінії, що з'єднує зазначені зображення, причому з боку зображення від зразкової поверхні. Після визначення положення ребра клину знак помилки визначають як зазначено вище.
Для визначення знака помилки поверхні в умовах вібрацій рекомендується один з наступних способів:
Налаштовують інтерференційну картину так, щоб смуги займали горизонтальне положення, потім під нижню частину робочого пучка вводять предмет, нагрітий та температури 100-300 0 С.
Потік нагрітого повітря називають викривлення смуг подібне "бугра" на поверхні, викривлення в протилежному напрямку відповідає "ямі" (спосіб 1).
Розглядають тільки предфокальную інтерференційну картину, де загальне викривлення смуг завжди відповідає "бугра" на поверхні (рис. 8а).
Якщо напрямок викривлення інтерференційних смуг при визначенні місцевої помилки збігається із загальним викривленням смуг, то це відповідає "бугра" на поверхні (рис. 8б), місцеве викривлення інтерференційних смуг в протилежному напрямку (рис. 8в) відповідає "ямі" (спосіб 2).
Черт.8
ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ ПОВЕРХНІ
3.1. ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ ПЛАСКИЙ ПОВЕРЗНОСТІ
Знаходять положення ребра клину між перевіряється і зразковою поверхнями. Для цього роблять легкий натиск на край столу вгору або вниз поблизу точки А або Б (рис. 1).
Черт.1
Наприклад, якщо при натиску вниз ширина смуг зменшується, то це означає, що ребро клину знаходиться на стороні, протилежній точці натиску. Натиск вгору призводить в цьому випадку до розширення смуг.
Визначають знак помилки. Поверхня має яму, якщо опуклість дуг або місцеві вигини смуг спрямовані у бік ребра клину. Якщо зазначені викривлення смуг спрямовані в бік, протилежний ребру клина, що перевіряється поверхня має горб.
Приклад. На рис. 1 ребро клину розташоване в точці В. Отже, поверхня має яму.
Якщо у напрямку лінії АВ інтерферометр дає перевернуте зображення, то знак помилки буде протилежним вказаною вище.
3.2. ВИЗНАЧЕННЯ ЗНАКА ПОМИЛКИ сферичної поверхні
Визначають положення ребра клину, утвореного інтерференційними хвильовими фронтами, рис. 2.
ЛІТЕРАТУРА
1. Малов О.М., Законников Обробка деталей оптичних приладів. Машинобудування, 2006. - 304 с.
2. Бардін О.М. Збірка і юстирування оптичних приладів. Вища школа, 2005. - 325с.
3. Кривов'яз Л.М., Пуряев Д.Т., Знам'янська М.А. Практика оптичної вимірювальної лабораторії. Машинобудування, 2004. - 333 с.