книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

Оценим допустимую величину расфокусировки Дс для идеаль­ ного компенсатора и АП, имеющей отверстие в центре. При Дк = 0 из выражения (29) следует, что

Из формулы (30) видно, что при наличии центрального отвер­ стия у контролируемой поверхности требования к точности ее установки в продольном направлении всегда ниже, чем для сплош­ ной поверхности, имеющей то же относительное отверстие для внешнего края.

Таким образом, применение полученных формул позволяет учесть деформацию волнового фронта при наличии продольной расфокусировки, исключить ее при обработке результатов изме­ рений и дать надежное заключение о качестве контролируемой АП, а также оценить требования к точности расположения компен­ сатора относительно АП.

Изложенная методика определения погрешностей АП, контро­ лируемых методом компенсации аберраций нормалей, имеет об­ щий характер и применима для интерферометров других видов, например, для лазерных интерферометров, в которых компенса­ тор может работать и при конечном положении предметной точки. Ход рассуждений не меняется, но формулы для определения экс­ тремальных участков выходящего волнового фронта, близкого к сферическому, изменяются. Вывод этих формул выполняют аналогичным способом.

7.Измерение угла раств

иконтроль качества полированных конических поверхностей

Полированные конические поверхности находят применение в механических и оптических приборах, например, в качестве измерительных элементов, калибров, для исправления аберраций оптических систем и других целей. Основными параметрами кони­ ческой поверхности являются плоский угол при вершине конуса (угол раствора) и ее качество, т. е. соответствие изготовленной поверхности геометрической форме конуса. В зависимости от назначения конической поверхности ее параметры и допуски на них колеблятся в широких пределах. Конические поверхности, наиболее часто применяемые в оптико-механических приборах, имеют, как правило, небольшой угол раствора (3—5°) и требуют высокого качества поверхности (допустимое отступление от пря-

J 3 0

молинейности образующей конуса составляет доли микрометра или несколько микрометров). Для точного контроля параметров конических поверхностей применяют специальные приборы или

Рис. 63. Схемы измере­ ния угла раствора кони­ ческих поверхностей:

скоконических линз

Проведенные испытания обнаружили и другие важные достоин­ ства способа: наглядность в оценке качества поверхности, неболь­ шую трудоемкость и доступность применения в производственных условиях.

Определение угла раствора полированной конической поверх­ ности основано на измерении диаметра кольцевого изображения источника света, возникающего при отражении параллельного пучка лучей, падающих на коническую выпуклую или вогнутую поверхность (рис. 63, а). Лучи, идущие из точки А (круглая диафрагма малого диаметра, освещенная источником света), уста­ новленной в заднем фокусе коллиматорного объектива 3 (изоб­ раженного условно в виде простой линзы), после отражения от полупрозрачной пластинки 2 выходят из объектива 3 параллель­ ным пучком и падают на коническую поверхность 4, ось которой параллельна оси объектива 3. Лучи, отраженные от конической поверхности, образуют в фокальной плоскости объектива 3 опти­ чески резкое кольцевое изображение А' — А', диаметр которого можно измерить с высокой точностью при помощи окуляр-микро­ метра 1, микроскопа или фотографированием. Диаметр D коль­

угла раствора зависит в основном от точности измерения диа­ метра D кольцевого изображения. Погрешность измерения фо­ кусного расстояния коллиматорного объектива практически не влияет на результаты измерения угла раствора. Если последний близок к 180°, то без большого ущерба для точности можно принять

торного объектива оптической скамьи ОСК-3) согласно формуле (32) получим, Асо = 5 - 10-6 = 1". Таким образом, рассматри­ ваемый способ имеет весьма высокую точность.

Важно отметить, что установка конической поверхности от­ носительно коллиматорного объектива не требует высокой точ­ ности, так как в меридиональном сечении коническая поверх­ ность работает как двойное зеркало. Эта особенность способа почти полностью исключает предварительную юстировку уста­ новки, что весьма существенно повышает производительность по сравнению с другими способами.

Для измерения угла раствора конической поверхности необ­ ходимо иметь в качестве основных приборов коллиматор, окулярмикрометр или измерительный микроскоп. Эти приборы входят в комплект серийно выпускаемых скамей ОСК-2 и ОСК-3. Как правило, они используются в современных измерительных лабо­ раториях как основное оборудование. Диапазон измеряемых углов раствора конических поверхностей зависит от фокусного расстояния и диаметра коллиматорного объектива и возможных пределов измерения диаметра кольцевого изображения. Например, объектив коллиматора, входящего в комплект ОСК-3, имеет диа­ метр 100 мм и /к = 1000 мм. С помощью измерительного микро­ скопа путем наведения его на края кольцевого изображения можно измерить D = 40 мм; наибольший угол раствора, который можно измерить на ОСК-3, как следует из формулы (31), составит

132

178°50'. Очевидно, что применение широкоугольных коллимато­ ров позволяет значительно расширить диапазон измерения углов раствора.

Большие углы раствора конических поверхностей можно из­ мерять с помощью гониометра. В этом случае коническую поверх­ ность устанавливают по отношению к коллиматору гониометра точно так же, как показано на рис. 62, а. Угол раствора изме­ ряют путем наведения перекрестия зрительной трубы на края кольцевого изображения. Угол поворота зрительной трубы яв­ ляется углом раствора конической поверхности. Очевидно, что в этом случае диапазон измерения углов раствора выпуклых кони­ ческих поверхностей практически не ограничен; для вогнутых поверхностей этот угол должен быть больше 120°. Точность из­ мерения углов раствора определяется главным образом точностью измерения углов на гониометре и зависит от его типа.

Способ может быть применен также для измерения угла рас­ твора или угла отклонения плоскоконических линз (см. рис. 63, б). В этом случае диаметр кольцевого изображения А' — А' изме­ ряют в фокальной плоскости объектива 3 зрительной трубы, ось которой должна быть параллельна оси коллиматорного объек­ тива 1 при измерениях на оптической скамье. При измерениях на гониометре зрительную трубу поворачивают до совмещения перекрестия с краями кольцевого изображения. В этом случае угол поворота зрительной трубы равен двойному углу откло­ нения линзы. В меридиональном сечении плоскоконическая линза 2 действует как два плоских клина, имеющих общее основание.

по точным формулам геометрической оптики, что представляет собой элементарную оптическую задачу и поэтому здесь не рас­ сматривается.

Из сравнения формул (32) и (34) видно, что при измерении угла раствора со в проходящем свете погрешность в определе­ нии со значительно больше, чем при измерениях в отраженном свете. Полагая, как и в предыдущем случае, AD — 0,01 мм,

133

при измерении угла раствора линзы в отраженном свете. Поэтому для получения наибольшей точности схему измерения угла раствора в отраженном свете следует считать предпочтительной.

Для расширения диапазона измеряемых углов раствора плоско­ конических линз последние устанавливают в кювету с иммерсион­ ной жидкостью (см. рис. 63, б), показатель преломления кото­ рой близок к показателю преломления материала линзы. В этом случае плоскоконическая линза будет работать как линза с ма­ лым углом раствора.

Качество конической поверхности оценивают по виду дифрак­ ционного кольцевого изображения аналогично тому, как оцени­ вают качество фотографических объективов по виду дифракцион­ ного изображения точки. С этой целью в фокальной плоскости коллиматорного объектива / (см. рис. 63, б) устанавливают диа­ фрагму малого диаметра, освещаемую монохроматическим источ­ ником света (наиболее удобны натриевая лампа ДНаС-18 или оптический квантовый генератор ОКГ-11). Кольцевое изобра­ жение рассматривают с помощью микроскопа достаточно силь­ ного увеличения. Так как линейное поле зрения микроскопа мало, то одновременное наблюдение всего кольцевого изображения не­ возможно. Поэтому микроскоп приходится перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях и последовательно осматривать все участки кольцевого изображения. Эта операция проста и не требует каких-либо специальных навыков. Например, для внимательного осмотра кольцевого изображения диаметром

с отверстием в центре, изготовленной из стекла марки ТФ8. Измерение угла раствора проводилось двумя способами: в отра­ женном (см. рис. 62, а) и проходящем (см. рис. 62, б) свете. При измерениях по схеме, изображенной на рис. 62, а, использовали коллиматор с фокусным расстоянием объектива /к = 1000 мм. Измерение диаметра кольцевого изображения проводили с по­ мощью микроскопа 37х увеличения. Величина D = 30,01 мм опре­ делена как среднее арифметическое из 10 измерений. Согласно

однородность и высокое качество плоской поверхности, то конт­ роль качества конической поверхности проводили в проходящем свете. Исследуемая линза предназначалась для работы в изделии точно в таких же условиях, при которых проходили испытания, т. е. на линзу падал параллельный пучок лучей. Поэтому конт­ роль качества собственно конической поверхности в данном слу­ чае не.был самоцелью, так как более важно было проконтроли­ ровать всю линзу.

134

При измерениях по схеме, изображенной на рис. 63, б, ис­ пользовались два встречных коллиматора с одинаковыми фокус­ ными расстояниями объективов fK= 1600 мм. В фокальной плос­ кости объектива одного из коллиматоров устанавливают диафрагму диаметром 0,2 мм, освещаемую лампой ДНаС-18. На рис. 64, а

Рис. 64. Кольцевое изображение,

представлен общий вид кольце­ вого изображения. Стрелкой отмечен участок, отличающийся от остальной части кольца. Для наблюдения тонкой структуры изображения используют микро­ скоп 100х увеличения и монохроматическое излучение оптиче­ ского квантового генератора

ОКГ-11 (длина волны 0,6328 мкм). На рис. 64, б показан нормаль­ ный участок кольца, а на рис. 64, в — участок, соответствующий сильно искаженному профилю конической поверхности. .При наложении плоского пробного стекла на этот участок кониче­ ской поверхности возникала хаотичная интерференционная кар­ тина, что подтвердило первоначальное заключение о сильно искаженном участке конической поверхности.

Рассмотренный способ можно рекомендовать для практичес­ ких целей.

135

Глава V

Контроль оптических деталей

1. Измерение толщин ли и плоскопараллельных пластинок

Допуски на толщины линз и плоскопараллельных пластинок назначаются в зависимости от условия работы линз или пласти­ нок в конкретной оптической системе. В большинстве случаев небольшие отклонения толщин линз от номинальных значений мало влияют на изменение аберраций оптических систем. На прак­ тике допуски на толщины линз обычно составляют десятые доли миллиметра; строгим допуском на толщину линзы можно счи­ тать 0,01 мм и менее.

В практике оптических измерительных лабораторий широкое распространение нашли как контактные, так и бесконтактные методы измерений толщин. Недостатки контактных методов обще­ известны, главный из них — возможность повреждения рабочей поверхности в процессе измерения. Однако контактные методы измерения осуществляются с помощью широко распространен­ ных и универсальных измерительных приборов типа микромет­ ров, индикаторов, оптиметров, компараторов и других, позво­ ляющих применить их для шлифованных оптических деталей.

Среди контактных методов измерения толщин в лаборатор­ ной практике наиболее часто применяется абсолютный метод измерения толщин с помощью вертикальных оптических длинномеров ИЗВ-1 и ИЗВ-2. Сущность измерений заключается в том (рис. 65), что контролируемую линзу 2 устанавливают на стер­ жень 1 с малой опорной площадкой или сферической головкой. Центрировку линзы относительно оси стержня проверяют по устойчивому положению линзы. Измерительный стержень 3, со­ единенный со шкалой 4, опускается до соприкосновения с линзой. Отсчет по шкале снимают с помощью микроскопа 6. Шкала осве­ щена низковольтной лампой накаливания 5. Второй отсчет сни­ мают по шкале без линзы, когда оба стержня входят в соприкос­ новение друг с другом. Аналогичным способом измеряются тол­ щины плоскопараллельных пластинок.

Особенность устройства приборов такого типа заключается в совмещении плоскости шкалы с осью измерительного стержня

136

и линзы. Благодаря этому обеспечивается принцип компарирования Аббе и небольшие наклоны измерительного стержня при его перемещении не снижают точность измерения.

Отечественная промышленность выпускает вертикальный длинномер ИЗВ-2, позволяющий проводить непосредственные изме­ рения в пределах 0—100 мм, а при сравнительном методе изме­ рений в пределах 0—250 мм. Цена деления отсчетного устройства 1 мкм. Погрешность прибора без учета поправок по аттестату

шкалы составляет ± ^0,0014 -f j^qqqq ) мм, где L — измеряе-

Приборы для сравнительных измерений длин наиболее удобны для контроля толщин плоскопараллельных пластинок путем сравнения их с толщиной эталонной пластинки или концевой меры. К этим приборам относятся оптиметры, пружинно-опти­ ческие головки и контактные интерферометры, широко приме­

можно измерять толщины плоскопараллельных пластинок, оди­ ночных линз и воздушных промежутков (рис. 66—68) путем после­ довательного наведения предметной точки микроскопа на поверх­ ность пластинок или линз. На рис. 66 показана схема измерения толщины плоскопараллельной пластинки.

137

кой В. Из геометрической оптики известно, что толщина плоско­ параллельной пластинки

Точность измерения отрезка а определяется апертурой микро­ объектива, так как в данном случае • используется ’продольная наводка. Чувствительность продольной наводки, выраженной в мкм, будет

чтобы рабочее расстояние микрообъектива было больше отрезка а, который при я = 1,5 в полтора раза меньше толщины пластинки d.

ражению (35) рабочее расстояние а микрообъектива должно быть не менее 10 мм.

На рис. 67 показан ход лучей при измерении толщины оди­ ночной отрицательной линзы с помощью микроскопа. В данном случае точка А' есть изображение точки А, построенное лучами, преломленными второй сферической поверхностью ,линзы. Из геометрической оптики известно, что

где я и я' — показатели преломления сред, расположенных до сферической поверхности с радиусом г и после нее. В нашем случае я — показатель преломления линзы; я' = 1; — s = d\ —s' = а, поэтому из формулы (38) следует, что

138

Точность определения d, как видно из формулы (39), зависит от точности измерения трех величин: а, п и г. Параметры п и г известны из расчета оптической системы, в состав которой входит линза; значения Ап и Аг обычно представлены в виде допусков на изготовление линзы.

>

Аналогичным образом можно измерить величину воздушного промежутка d в системе, состоящей из линз 1 и 2 (рис. 68), с по­ мощью микроскопа 3 и отсчетной шкалы 4. Расчетные формулы легко получить, применяя последовательно основную формулу (38) для сферических поверхностей отрицательной или положи­ тельной линзы.

Рассмотренные способы измерения толщин линз и воздушных промежутков целесообразно применять в собранных системах, когда оптическая деталь недоступна для измерений другими спо­ собами.

2. Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей

Измерение радиусов кривизны сферических поверхностей линз и зеркал осуществляют контактными и бесконтактными методами. Первые выполняют чаще всего на специальных приборах — сфе­ рометрах, а также методом колец Ньютона; вторые с помощью автоколлимационного микроскопа и автоколлимационной зри­ тельной трубы. Кривизну шариковых пробных стекол радиусом до 37,5 мм измеряют винтовыми микрометрами, пробные стекла с радиусами кривизны от 37,5 до 750 мм — кольцевым сферомет­ ром ИЗС-7, с радиусом кривизны от 750 до 5000 мм — методом автоколлимации из центра кривизны и свыше 5000 мм методом колец Ньютона [2 ].

139