RU2107903C1

RU2107903C1 - Test for forming the optical surface

Info

Publication number: RU2107903C1
Application number: RU96108475A
Authority: RU
Inventors: В.И. Скоморовский
Original assignee: Институт солнечно-земной физики СО РАН
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: optico-mechanical industry, machine tool manufacture for test of optical polishing the surfaces of parts from clear materials, metals and plastics with any reflection factor. SUBSTANCE: clear testing glass laid over tested surface is illuminated by source of scattered light. Light falling on testing glass is polarized at an angle of 45 deg to plane of incidence, and angle of incidence is set within limits of 20-50 deg. Interference bands between tested and standard surfaces are observed and evaluated through polarization analyzer. EFFECT: broadened application field, enhanced functional efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в оптико-механической промышленности станкостроении для технологического контроля формы оптических поверхностей с любым коэффициентом отражения, например деталей из стекла или других прозрачных материалов, из стекла с зеркальными покрытиями, металлических зеркал, оптически полированных поверхностей металлических газовых и гидроуплотнений насосов, иллюминаторов. The invention relates to the field of measurement technology and can be used in the optical-mechanical industry of machine tools for technological control of the shape of optical surfaces with any reflection coefficient, for example, parts made of glass or other transparent materials, glass with mirror coatings, metal mirrors, optically polished metal gas surfaces and hydraulic seals of pumps, windows.

Известен способ контроля поверхностей с помощью интерферометров физо, в которых интерференционная картина, характеризующая форму поверхности, наблюдается в отраженном свете в воздушном промежутке между поверхностями эталона и контролируемой детали [1]. Однако в этом способе допустимый диапазон контролируемых поверхностей ограничен по коэффициенту отражения, т.к. он обусловлен коэффициентом отражения установленного в интерферометре этанола, который должен быть близок к коэффициенту отражения контролируемой поверхности для получения максимального контраста интерференционной картины. Поверхности деталей из стекал контролируют стеклянным или кварцевым эталоном, а зеркальные поверхности - эталоном с зеркальным покрытием. Кроме того, интерферометр является общецеховым, как правило, крупногабаритным прибором и не может быть использован как измерительный инструмент на каждом рабочем месте. Из-за трудностей его настройки практически не применяется для технологического контроля очень маленьких поверхностей и используется главным образом для аттестационного контроля. A known method of surface control using physico interferometers, in which the interference pattern characterizing the surface shape is observed in reflected light in the air gap between the surfaces of the standard and the controlled part [1]. However, in this method, the allowable range of controlled surfaces is limited in reflection coefficient, because it is due to the reflection coefficient of ethanol installed in the interferometer, which should be close to the reflection coefficient of the controlled surface to obtain the maximum contrast of the interference pattern. The surfaces of the glass parts are controlled by a glass or quartz standard, and the mirror surfaces are controlled by a mirror coated standard. In addition, the interferometer is a general workshop, as a rule, large-sized device and cannot be used as a measuring tool at every workplace. Due to the difficulties of its adjustment, it is practically not used for technological control of very small surfaces and is mainly used for certification control.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу является технологический контроль оптических поверхностей с помощью накладного прозрачного пробного стекла [2]. На контролируемую поверхность оптической детали после тщательной очистки накладывают "на цвет" прозрачное пробное стекло, освещают деталь рассеянным светом и по интерференционной картине, наблюдаемой в отраженном свете через прозрачное пробное стекло, определяют форму поверхности детали. Однако с помощью накладного пробного стекла практически невозможно контролировать детали с зеркальным покрытием или полированные металлические зеркальные поверхности с высоким коэффициентом отражения, который более чем в десятки раз может превосходить коэффициент отражения эталонной поверхности пробного стекла - интерференционная картина неконтрастна и малоразличима. Кроме того, блик от контролируемой зеркальной поверхности ослепляет и затрудняет измерения. Блик от верхней поверхности пробного стекла также уменьшает контраст интерференционных полос. The closest in essence to the proposed method is the technological control of optical surfaces using a transparent transparent test glass [2]. After thorough cleaning, a transparent test glass is placed “on color” on the controlled surface of the optical part, the part is illuminated with diffused light, and the shape of the part surface is determined from the interference pattern observed in reflected light through the transparent test glass. However, it is practically impossible to control parts with a mirror coating or polished metal mirror surfaces with a high reflection coefficient, which can be more than ten times higher than the reflection coefficient of the reference surface of the test glass, using an applied test glass — the interference pattern is not contrasting and indistinguishable. In addition, the glare from the controlled mirror surface is dazzling and difficult to measure. Glare from the upper surface of the test glass also reduces the contrast of interference fringes.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение области применения накладного пробного стекла. The problem to which the invention is directed, is to expand the scope of the applied test glass.

Задача решается следующим образом. Прозрачное пробное стекло, наложенное на контролируемую поверхность с любым коэффициентом отражения, освежают источником рассеянного света. Падающий на пробное стекло свет поляризуют под углом 45^o к плоскости падения, причем угол падения света на пробное стекло устанавливают в пределах 20-50^o, а интерференцию наблюдают через анализатор поляризации, который поворачивают до получения максимального контраста интерференционной картины.The problem is solved as follows. A clear test glass, placed on a controlled surface with any reflection coefficient, is refreshed by a diffused light source. The light incident on the test glass is polarized at an angle of 45 ^o to the plane of incidence, and the angle of incidence of the light on the test glass is set within 20-50 ^o , and the interference is observed through a polarization analyzer, which is turned to obtain the maximum contrast of the interference pattern.

Введение новых существенных признаков в данном способе обеспечивает контроль оптических поверхностей с любым коэффициентом отражения. The introduction of new significant features in this method provides control of optical surfaces with any reflection coefficient.

На фиг. 1 показаны осветительное устройство и анализатор поляризации, с которым осуществляется предлагаемый способ контроля. Осветитель содержит источник света 1, рассеиватель 2, поляризатор 3. Анализатор поляризации 4 установлен в оправе с возможностью вращения. Контролируемую деталь 6 и наложенное на нее сверху прозрачное пробное стекло 5 устанавливают под осветителем так, чтобы угол падения светового пучка α на пробное стекло находился в пределах 20-50^o. На фиг. 1 условно показан ход лучей после поляризатора и отражения от эталонной поверхности пробного стекла и контролируемой детали. С помощью поляризатора 3 направление плоскости колебаний светового пучка, падающего на пробное стекло, устанавливают постоянным - под углом 45^o к плоскости падения пучка. После поляризатора 3 лучи I (от эталонной поверхности) и II (от контролируемой поверхности) проходят различные оптические пути. Поляризация 1 пучка изменяется на трех границах: воздух - стекло (преломление), стекло - воздух (отражение), стекло - воздух (преломление), а поляризация II пучка - на пяти границах: воздух - стекло (преломление), стекло - воздух (преломление), воздух - контролируемая прозрачная или зеркальная поверхность (отражение), воздух - стекло (преломление), стекло - воздух (преломление).In FIG. 1 shows a lighting device and a polarization analyzer with which the proposed monitoring method is implemented. The illuminator contains a light source 1, a diffuser 2, a polarizer 3. The polarization analyzer 4 is mounted in a frame with the possibility of rotation. The controlled part 6 and the transparent test glass 5 placed on top of it are installed under the illuminator so that the angle of incidence of the light beam α on the test glass is in the range of 20-50 ^o . In FIG. 1 conventionally shows the path of the rays after the polarizer and reflection from the reference surface of the test glass and the part being monitored. Using a polarizer 3, the direction of the plane of oscillation of the light beam incident on the test glass is set constant - at an angle of 45 ^o to the plane of incidence of the beam. After polarizer 3, rays I (from the reference surface) and II (from the controlled surface) pass through various optical paths. The beam 1 polarization changes at three boundaries: air - glass (refraction), glass - air (reflection), glass - air (refraction), and beam II polarization - at five boundaries: air - glass (refraction), glass - air (refraction) ), air - controlled transparent or mirror surface (reflection), air - glass (refraction), glass - air (refraction).

Если на границу воздух - прозрачная среда, например стекло, наклонно падает линейно-поляризованный свет с плоскостью колебаний под углом 45^o к плоскости падения, то в отраженном свете угол между плоскостью колебаний и плоскостью падения увеличивается, а в преломленном уменьшается, но поляризация сохраняется линейной (Р.В. Поль, Оптика и атомная физика.- М.: Наука, 1966, с.237). Величина поворота плоскости поляризации зависит от угла падения и показателя преломления среды.If linearly polarized light with an oscillation plane at an angle of 45 ^o to the plane of incidence falls obliquely at the air-transparent medium boundary, such as glass, the angle between the vibrational plane and the plane of incidence increases in reflected light, but decreases in the refracted plane, but the polarization remains linear (R.V. Paul, Optics and Atomic Physics, Moscow: Nauka, 1966, p. 237). The magnitude of the rotation of the plane of polarization depends on the angle of incidence and the refractive index of the medium.

Если такой же линейно-поляризованный свет падает на границу воздух - поглощающая среда (например зеркало), то после отражения свет становится эллиптически-поляризованным. Эллиптичность и азимут большой оси эллипса зависят от угла падения, коэффициентов преломления и поглощения среды. При прохождении эллиптически-поляризованного света границы прозрачная среда - воздух и наоборот азимут большой оси изменяется как и в случае прохождения линейно-поляризованного света, а эллиптичность сохраняется. If the same linearly polarized light falls on the boundary between the air and the absorbing medium (for example, a mirror), then after reflection the light becomes elliptically polarized. The ellipticity and azimuth of the major axis of the ellipse depend on the angle of incidence, the refractive indices, and the absorption of the medium. With the passage of elliptically polarized light of the boundary, the transparent medium - air and vice versa, the azimuth of the major axis changes as in the case of passage of linearly polarized light, and the ellipticity is preserved.

Интерференционную картину между эталонной и контролируемой поверхностями наблюдают через анализатор поляризации 4. Так как азимуты колебаний и поляризации интерферирующих пучков I и II различны, то вращения анализатора увеличивают интенсивности пучков, устанавливают максимальный контраст интерференционной картины и выполняют контроль формы поверхности. The interference pattern between the reference and controlled surfaces is observed through a polarization analyzer 4. Since the azimuths of the oscillations and polarizations of the interfering beams I and II are different, the analyzer rotations increase the beam intensities, establish the maximum contrast of the interference pattern and perform surface shape control.

В качестве примера, иллюстрирующего принцип контроля, на фиг. 2 показаны расчетные формы поляризации для углов падения света 0^°< α < 50^° на систему пробное стекло (коэффициент преломления n= 1,52) - поверхность алюминия (коэффициент преломления n=1,2, коэффициент поглощения κ = 4 ). Оптические константы для алюминия взяты для λ 0,589 (Сборник физических констант, ОНТИ, Л-М, 1937) и округлены для удобства пользования таблицами (А.П. Пришивалко, Отражение света от поглощающих сред, Минск, 1963). На систему пробное стекло - деталь после поляризатора падает линейно-поляризованный свет с плоскостью колебаний под углом 45^o к плоскости падения. Формы поляризации интерференционных пучков рассчитаны до входа в анализатор поляризации. Свет от эталонной поверхности пробного стекла остается линейно-поляризованным для всех углов падения, но изменяет амплитуду и азимуты колебаний. Свет от поверхности алюминия превращается в эллиптически-поляризованный. Эллиптичность и азимут большой оси изменяются с углом падения. На фиг. 2 азимуты поляризации и отношение осей эллипса указаны рядом с соответствующими формами поляризации. Длина стрелок и осей эллипсов пропорциональны амплитудам колебаний. При угле падения 30^o азимут колебаний линейно-поляризованного света от пробного стекла составляет 55,6^o, а азимут большой оси эллипса поляризации от алюминия - 43,9^o и эллиптичность - 0,26. Если на пути интерферирующих пучков соорентировать анализатор поляризации под углом 5^o к малой оси эллипса поляризации (т. е. почти полностью "погасить" большую ось) интенсивности пучков от эталона и алюминия будут отличаться не более чем в два раза и составлять около 1% падающего света на систему пробное стекло - алюминий. При угле падения 40^o (азимут линейной поляризации 65,3^o, азимут большой оси 42,7^o, эллиптичность 0,35) и угле ориентации анализатора 10^o интенсивности пучков выравниваются и составляют около 3% интенсивности падающего пучка.As an example, illustrating the principle of control, in FIG. Figure 2 shows the calculated forms of polarization for angles of incidence of light 0 ^° <α <50 ^° on the test glass system (refractive index n = 1.52) - aluminum surface (refractive index n = 1.2, absorption coefficient κ = 4). The optical constants for aluminum were taken for λ0.589 (Collection of physical constants, ONTI, LM, 1937) and rounded for ease of use with tables (A.P. Prishivalko, Reflection of light from absorbing media, Minsk, 1963). A linear glass-polarized light with an oscillation plane at an angle of 45 ^o to the incidence plane is incident on the test glass - part after the polarizer. The polarization forms of interference beams are calculated before entering the polarization analyzer. Light from the reference surface of the test glass remains linearly polarized for all angles of incidence, but changes the amplitude and azimuths of oscillations. Light from the surface of aluminum turns into elliptically polarized. The ellipticity and azimuth of the major axis change with the angle of incidence. In FIG. 2 polarization azimuths and the ratio of the ellipse axes are indicated next to the corresponding forms of polarization. The length of the arrows and axes of the ellipses is proportional to the amplitudes of the oscillations. When the angle of incidence is 30 ^{o, the} azimuth of linearly polarized light oscillations from the test glass is 55.6 ^o , and the azimuth of the major axis of the polarization ellipse from aluminum is 43.9 ^o and the ellipticity is 0.26. If the polarization analyzer is oriented along the path of the interfering beams at an angle of 5 ^o to the small axis of the polarization ellipse (that is, the axis is almost completely “extinguished”), the beam intensities from the standard and aluminum will differ by no more than two times and amount to about 1% of the incident light on the test glass - aluminum system. When the angle of incidence is 40 ^o (azimuth of linear polarization 65.3 ^o , azimuth of the major axis 42.7 ^o , ellipticity 0.35) and the angle of orientation of the analyzer 10 ^o the beam intensities are equalized and make up about 3% of the incident beam intensity.

Из-за разности азимутов линейной поляризации от двух поверхностей пробного стекла "паразитный" блик от верхней поверхности (луч III, фиг. 1) частично гасится анализатором поляризации. Таким образом, контраст интерференционной картины можно сделать почти 100% для отражающих материалов в широком диапазоне n и κ. . Из практики, при контроле пробным стеклом поверхности стекла с пленкой алюминия, нанесенной испарением в вакууме (коэффициент отражения ≈ 90%), максимальный контраст получают при освещении пробного стекла в диапазоне 35-38^o.Due to the difference in the azimuths of linear polarization from the two surfaces of the test glass, the “parasitic" glare from the upper surface (beam III, Fig. 1) is partially suppressed by the polarization analyzer. Thus, the contrast of the interference pattern can be made almost 100% for reflective materials in a wide range of n and κ. . From practice, when testing glass with a test glass surface with an aluminum film deposited by evaporation in vacuum (reflection coefficient ≈ 90%), the maximum contrast is obtained when the test glass is illuminated in the range of 35-38 ^o .

Claims

The method of controlling the shape of the optical surface of the part by observing and recording an interference pattern arising in reflected light between the surface of the part and the reference surface of the transparent patch test glass when light is incident on them from an extended scattering source, characterized in that the incident light is polarized at an angle of 45 ^o to the plane falling, and interference in reflected light is observed through the polarization analyzer, and the angle of incidence is set to 20 - 50 ^o , and the analyzer is rotated to obtain a poppy the total contrast of the interference pattern.