Смуги рівного нахилу 1

Уявімо собі, що кут падіння i - const. В цьому випадку при d - const (плоскопаралельна пластина) буде існувати якась певна різниця ходу, загальна для всього фронту або матиме місце нескінченно широка смуга до - го порядку, т. Е. Інтерференційна картина не спостерігається. Це справедливо і для плівки з малим кутом клиноподібності, тобто при зміні товщини клина буде змінюватися порядок інтерференції, але при введенні оптичної системи для спостереження інтерференційної картини все промені зберуться в одній точці фокальної площини оптичної системи. У цьому випадку на поверхні клина можна спостерігати смуги рівної товщини.

Властивості смуг рівного нахилу

1.Разлічние точки інтерференційної смуги рівного нахилу утворені променями, що йдуть від різних точок джерела світла. Інтерференційна картина в цілому утворена променями, що виходять із безлічі точок джерела.

2.Полоси рівного нахилу локалізовані в ідеальному випадку в нескінченності і спостерігаються за допомогою будь-якої оптичної системи в її фокальній площині.

3.Шіріна смуг рівного нахилу в загальному випадку залежить від кута падіння і положення наглядової приладу.

Смуги рівної товщини і смуги рівного нахилу, хоча і відрізняються способом їх отримання, мають разом з тим деякі спільні риси. Смуги того і іншого видів можна спостерігати в одній оптичній схемі при різній її налаштування. При розгляді схеми інтерферуючих променів для смуг рівного нахилу вважали, що два промені, що походять від однієї точки джерела світла, що виходить із системи точно паралельно один одному. Насправді в реальному оптичній системі завжди буде мати місце відхилення вторинних променів від ідеальної паралельності після виходу з інтерферометра внаслідок відступу його поверхні від площинності або через неточну паралельності поверхонь.

В цьому випадку з'являються умови для спостереження смуг рівної товщини. Можна встановити критерій для кута між интерферирующими променями, при якому значно впаде контраст смуг рівного нахилу, а замість цього з'явиться можливість спостереження смуг рівної товщини. Можна розглянути можливість спостереження смуг рівного нахилу в схемі для спостереження смуг рівної товщини. Для цього в будь-яку точку інтерференційного поля можна помістити наглядова прилад, обмеживши розміри його вхідного зіниці. В цьому випадку поблизу фокальної площини об'єктива буде спостерігатися інтерференційна картина ліній рівного нахилу, так як відбудеться зміна різниці ходу для променів, що йдуть від різних точок джерела в межах виділеного кутового

розміру. Це і визначить можливість виникнення смуг рівного нахилу. Таким чином, можливий перехід від спостереження одного виду смуг до іншого в залежності від умов спостереження.

Всі реальні джерела світла достатньої яскравості маю кінцеві розміри (за винятком джерел лазерного випромінювання) причому окремі точки джерела між собою некогерентного. Відомо, що контраст інтерференційної картини К 'залежить від ширини джерела d. Контраст перевищує 0,9 якщо значення d менше λ / 4β. де β - параметр зв'язує а - відстань між джерелами вторинних хвиль і L - відстань від площини джерел вторинних хвиль до площини інтерференції.

Якщо d досягає значення λ / β. контраст дорівнює нулю.

Якщо К '= 0,9 говорять про допустимому контрасті і допустимої ширині джерела. при К '= 0 - про критичну ширині джерела світла. Тому доцільно розраховувати критичний розмір джерела, а потім в реальному інтерферометрі зменшити його до досягнення такого контрасту, який забезпечить надійну реєстрацію картини.

Умова критичного контрасту і критичної ширини джерела світла формується в такий спосіб; контраст смуг дорівнює нулю, якщо різниця ходу від елементарних крайніх ділянок джерела в одній і тій же точці поля відрізняється на довжину хвилі λ. Використовуючи широкий джерело світла можна спостерігати інтерференційну картину з гарним контрастом, але становище смуг інтерференції має бути цілком визначеним. Такі інтерференційні смуги називають локалізованими. Поле інтерференції, в якому спостерігаються локалізовані смуги, носить назву площині локалізації. У площині локалізації спостерігаються смуги найвищої якості, тобто оптимальні одночасно з двох параметрами - яскравості і контрасту, поблизу площини локалізації, смуги при тій же яскравості будуть меншого контрасту або при тому ж контрасті меншою яскравості. В даному інтерферометрі використовується поліхроматичний джерело світла. Світло від такого джерела є сукупність некогерентних монохроматичних компонент, що займають певний спектральний інтервал. Кінцеве значення випромінюваного джерелом інтервалу довжин хвиль Δλ визначається тим, що електромагнітна хвиля не нескінченна

в часі - вона випромінюється атомами у вигляді пучків кінцевої довжини. Чим менше довжина променя, тобто чим менше час життя атома в збудженому стані, тим ширше спектр частот і тим менше тимчасова когерентність. Можна пов'язати довжину променя і ширину спектра і ввести поняття: довжина когерентності і час когерентності.

Підставивши Δ КР в формулу (9) легко можна побачити при якій товщині пластини відбудеться падіння контрасту інтерференційної картини до нуля. Таким чином, для спостереження контрастною інтерференційної картини при великій різниці ходу або, великої товщини пластини необхідна висока тимчасова когерентність, що призводить до збільшення довжини когерентності і отже до зменшення Δλ. Такими характеристиками володіють, зокрема, лазерні джерела світла.

Лабораторна робота № 2

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМИ полірованою поверхнею

Мета роботи - вивчення інтерференційних методів контролю форми полірованих поверхонь і практичний вимір форми поверхні за допомогою пробних стекол і на інтерферометрі ІТ-70.

Контроль форми точних полірованих поверхонь заснований на використанні явища інтерференції світла, що виникає в повітряному проміжку між контрольованою поверхнею і еталонної, радіус кривизни якої відповідає заданому кресленням радіусу.

Якщо контрольовану поверхню деталі поєднати з вимірювальною поверхнею еталона, то при невідповідності їх форми утворюється повітряний проміжок, який можна розглядати як пластинку товщиною h з показником заломлення n = 1. Різниця ходу δ променів світла з довжиною хвилі λ. падаючих на пластинку під кутом α і відображених повер-

хность, що обмежують зазор, дорівнює δ = 2 hсоs α - 2 λ. При падінні світла по нормалі до поверхні δ = 2 h + λ 2. Якщо різниця ходу δ кратна парним

числу λ 2. матиме місце посилення світла, якщо непарному - ослаблення. В

зазорі, товщина h якого неоднакова, різниця ходу променів різна. При широкому джерелі світла можна спостерігати чергуються інтерференційні кільця, локалізовані на поверхні повітряного зазору. Кільця розташовуються там, де величина зазору однакова, тому їх називають кільцями рівної товщини. При спостереженні в білому світлі видно кольорові кільця, в монохроматичному - темні і світлі. При переході від кільця до кільця однакового кольору, товщина повітряного проме-

страшна змінюється на λ 2. Число кілець будь-якого (але одного кольору) характеризує

різницю стрілок прогину поверхні деталі і еталона. Відступ радіуса кривизни контрольованої поверхні від заданого (стандарту) називають загальною помилкою і позначають знаком N. Форма інтерференційних кілець, в перерізі паралельному їх напрямку, відтворює профіль повітряного зазору між поверхнями деталі і еталона. Якщо кривизна поверхні деталі змінюється плавно, кільця мають вигляд паралельних кіл (або дуг). Типові наступні види загальних помилок форми поверхонь (рис.4):

- «Бугор» - умовна назва помилки, при якій товщина зазору на краю більше, ніж в центрі (ріс.4a);

- «Яма» - умовна назва помилки, при якій товщина зазору в центрі більше, ніж з краю (рис.4б).

Рис.4. Типи загальної помилки

Рис.5. Визначення величини загальної помилки

Якщо загальна помилка мала (N <1), то вместо колец интерференции появляется равномерно окрашенная картина. По ее цвету судят о величине ошибки: красный цвет - N 1/2. синий - N 1/4. желтый - N 1/8. Для более точного определения величины таких ошибок, между контролируемой и измерительной поверхностями создают воздушный клин. Тогда интерференционная картина приобретает вид полос. О величине N общей ошибки судят по отношению стрелки прогиба ∆ H полосы к расстоянию H между соседними полосами одного цвета (рис.5) - красными при наблюдении в белом свете, темными - в монохроматическом.

Нерегулярність форми контрольованої поверхні в різних зонах називають місцевої помилкою. Типові помилки: «місцева яма» (рис.6а), «місцевий бугор» (ріс.6б), «піднятий край» (ріс.6в), «завал» (ріс.6г), «астигматизм» (рис.7) . Астигматизм - умовна назва помилки, при якій кривизна контрольованої поверхні неоднакова по абсолютній величині в двох взаємно-перпендикулярних напрямках. вели-

де d е - діаметр зразка; N е - стрілка прогину (в інтерференційних смугах) контрольованої поверхні на діаметрі d е еталона.

Еталони застосовуються у вигляді так званих пробних стекол - для безпосереднього накладення їх вимірювальної поверхні на контрольовану поверхню деталі, і встановленим в прилади (інтерферометри) - для безконтактних вимірювань.

Пробні скла. Пробні скла - еталони плоскою і сферичною поверхонь заданого радіуса кривизни мають діаметр до 130 [мм]. Радіуси кривизни вимірювальної поверхні сферичних пробних стекол нормалізовані. Для кожного значення радіусу, в тому числі і R = ∞. в умовах серійного виробництв, виготовляється 3 пари пробних стекол:

РПС - робочі пробні скла для контролю поверхонь деталей. КПС - контрольні пробні скла для перевірки поверхонь

робочих пробних стекол.

ОПС - основні пробні скла для перевірки контрольних стекол. В умовах дрібно серійного виробництва допускають наявність

тільки РПС і ОПС.

Сферичні скла з номінальними значеннями

Допустимі відхилення R (±)

Сферичні пробні скла всіх радіусів кривизни виготовляють парами - опукле і увігнуте. За точністю форми вимірювальної поверхні пробні скла поділяються на три класи. Допустимі відхилення радіусів кривизни вимірювальних поверхонь сферичних ОПС від номінальних значень R і від площинності плоских ОПС представлені в табл.1.

Рис.8. Оптична схема ІТ-70

Інтерферометр для контролю плоских поверхонь

Інтерферометри для технологічного контролю плоских поверхонь можуть бути з дзеркальним або лінзовим об'єктивом. Перші, відповідно до розміру дзеркала, дозволяють контролювати деталі або блоки діаметром до 350 - 400 [мм], другі, до 100 - 120 [мм]. У даній роботі використовується інтерферометр ІТ-70 з лінзовим об'єктивом.

Оптична схема приладу приведена на рис.8. Тут світиться тіло 1 спектральної лампи СМР-1 конденсором 2 проектується в площину отвору діафрагми 4. У хід променів вводиться світлофільтр 3. Світло, відбитий дзеркалом 5. потрапляє в об'єктив 6 коллиматора. На виході з нього паралельний пучок падає на зразок 7, проходить через нього і потрапляє на контрольовану поверхню деталі 8. Пучки світла, відбиті поверхнями деталі і еталона накладаються один на одного і інтерферують. Картина інтерференції за допомогою светоделітельной пластинки 9 проектується в фокальній площині телескопічною лупи, що складається з об'єктива 10 і окуляра 11.Прібор може бути використаний для спостереження двох - і многолучевой картин інтерференції. В останньому випадку замість еталона 7 вводять еталон 7 'зі светоделітельним покриттям. При використанні двопроменевий інтерференції відступ від площини може бути виміряна з точністю близько 0,1 смуги, при багатопроменевої - до 0,05 смуги. На інтерферометрі можна контролювати плоскопарал-

лельность тонких (до 8 [мм]) пластин шляхом спостереження в них смуг рівної товщини.

Рис.9. Загальний вигляд ІТ-70 Интерферометр (рис.9) складається з верхньої А і нижньої Б частин,

столу С і пульта П запалювання. У верхню частину входить освітлювач і всі оптичні деталі схеми, крім зразка. Лампу освітлювача підключають через пульт запалювання в мережу змінного струму напругою 220 вольт. Діафрагми змінюють поворотом диска Д. В нижню частину приладу входить вузол еталонних пластин і предметний столик з рукоятками управління. Підйом і опускання столика виробляють рукояткою 1, а його нахил в двох взаємно-перпендикулярних напрямках - рукоятками 2. Величина підйому столика може бути заміряна за шкалою 3. Всі рукоятки управління розташовані на зовнішньому корпусі приладу.

1. Використовуючи зразки з R = ∞ і R = -80,17 [мм] проконтролювати форму трьох плоских і сферичних деталей. Визначити вид ( «бугор», «яма») і величину загальної помилки N. Визначити вид ( «місцевий бугор», «місцева яма») і величину місцевих помилок Δ N.

2. Ці ж деталі проконтролювати на інтерферометрі ІТ-70. Визначити загальну N і місцеві Δ N помилки.

3. Порівняти результати вимірювань і оцінити точність контролю.

Методичні вказівки і порядок виконання роботи

Контроль пробними склом

1. Ретельно промити спиртом і протерти серветкою вимірювальну поверхню зразка і контрольовану поверхню деталі.

3. За кількістю N кілець інтерференції одного кольору (червоних - при спостереженні в білому світлі і темні - в монохроматичному) визначити величину загальної помилки. Вид помилки встановлюють за напрямком переміщення кілець при натисканні на середину пробного скла (або деталі). При помилку «яма» кільця інтерференції переміщаються від краю до центру, при помилці «бугор» - навпаки. Замалювати интерференционную картину і занести її в таблицю.

4. Створивши повітряний клин натиском на край еталона (або деталі) визначити загальну помилку N по відношенню стрілки прогину смуги до відстані між сусідніми смугами одного кольору. Вид помилки визначається по напрямку викривлення смуг щодо точки притиску. При помилку «бугор» смуги розташовані увігнутістю до точки притиску, при помилці «яма» - опуклістю. При нерегулярності форми смуги

встановити вид місцевої помилки Δ N. Знайти величину цієї помилки. Замалювати картину інтерференції і занести її в таблицю 1.

Контроль на інтерферометрі

1. Тумблером на корпусі пульта запалювання включити лампу освеще-

2. Включити освітлення внутрішнього простору інтерферометра тумблером, розташованим з правого боку корпусу приладу.

3. Встановити контрольовану деталь на столик приладу і підняти його обертанням рукоятки 1 (см.ріс.9) до отримання зазору між еталоном і деталлю рівного приблизно 1 [мм].

4. Повернути рукоятку 4 в праве положення, при якому об'єктив телескопічною лупи виводиться з ходу променів. За допомогою рукояток 2, які здійснюють нахил столика, поєднати Автоколімаційна зображення діафрагми від вимірювальної поверхні зразка і контрольованої поверхні деталі.

5. Включити внутрішнє освітлення приладу, поворотом рукоятки 4

в початкове положення, ввести в хід променів телескопічну лупу.

6. Спостерігаючи в окуляр і регулюючи нахил столика з деталлю рукоятками 2, встановити бажаний характер інтерференційної картини (смуги або кільця), змінити ширину і напрямок смуг. Поверніть диск Д з набором діафрагм відрегулювати яскравість і контрастність інтерференційної картини.

7. Знайти величину загальної помилки двома способами - по числу інтерференційних кілець і по відношенню стрілки прогину смуги до відстані між сусідніми смугами. Встановити вид загальної помилки. Визначити вид і величину місцевої помилки. Результати вимірювань загальної та місцевої помилок і спостерігаються інтерференційні картини, занести в таблицю 1.

1. Коротку теоретичну частину.

2. Оптичну схему інтерферометра з ходом променів.

3. Таблицю з результатами вимірів.

Висновки за результатами вимірювань з поясненням отриманих інтерференційних картин.

1. Як визначити вид і величину помилки контрольованої поверхні (загальна, місцева) при спостереженні картин інтерференції в кільцях і смугах?

2. Типи і призначення пробних стекол, що застосовуються в серійному виробництві оптичних деталей.

3. Класи точності ОПС. Одиниці виміру, в яких задають допустимі відхилення R сферичних ОПС і допустимі відхилення від площинності плоских ОПС.

4. Точність контролю форми поверхні на інтерферометрі і пробними стеклами.

5. Чому підвищується точність вимірювань при використанні багатопроменевої інтерференції?

6. Як розрахувати помилку фори поверхні деталі, якщо її розмір більше еталону?

1. Кузнецов C.М. Окатов М.А. Довідник технолога -оптіка - Л. Машинобудування, Ленінградське відділення. 1983р.

2. Семибратов М.Н. Технологія оптичних деталей. - М. Машинобудування, 1978р.

3. Коротка теоретична частина методичних вказівок стор.8.