Многолучевой интерферометр для измерения параметров сферической оболочки

 

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и может быть использовано для контроля параметров прозрачных сферических оболочек. Сущность изобретения состоит в том, что интерферометр содержит осветительную систему и оптический блок, состоящий из двух зеркал, имеющих возможность перемещения вдоль оптической оси, сферическую оболочку, центр которой лежит на оптической оси, систему регистрации, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения. Одно из сферических зеркал выполнено сферическим, а центр его кривизны лежит на оптической оси, а второе зеркало - плоским, при этом оно установлено так, что при освещении пучок фокусируется на поверхности плоского зеркала в точке его пересечения с оптической осью. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптике и измерительной технике и может быть применено для контроля параметров прозрачных сферических оболочек.

При подготовке мишеней для ЛТС требуется проводить контроль диаметра, толщины стенки оболочки и ее разнотолщинности. Эти измерения требуют соответствующих приборов и методов.

Известен способ контроля разнотолщинности с применением двухлучевой интерферометрии [1]. Интерферометр содержит систему освещения - лазер, оптический блок с зеркалами по схеме Маха-Цендера, контролируемый объект, систему регистрации - точечный фотоприемник и электронную схему обработки сигнала. Но его чувствительность и точность ограничены возможностями двухлучевой интерферометрии. Применение многолучевой интерферометрии повышает чувствительность в общем случае на 1-2 порядка.

Наиболее близким к изобретению является многолучевой интерферометр, описанный в работе [2]. Интерферометр содержит осветительную систему, оптический блок, состоящий из двух плоских зеркал, установленный по ходу потока излучения. Между ними помещена контролируемая сферическая оболочка с центром, лежащим на оптической оси. Кроме того, интерферометр содержит регистрирующую систему, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения. Некоторые методы обработки интерференционной картины позволяют регистрировать разнотолщинность оболочки и повысить чувствительность по сравнению с двухлучевой интерферометрией.

Недостатком прототипа являются дифракционные явления и эффект оболочки как рассеивающей линзы, что ограничивает возможности многолучевого интерферометра с плоскими зеркалами.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности контроля толщины и разнотолщинности оболочки и повышение пространственного разрешения многолучевого интерферометра.

Для решения задачи в многолучевом интерферометре для измерения параметров сферической оболочки, содержащем осветительную систему, расположенный по ходу потока излучения оптический блок, состоящий из двух зеркал, имеющих возможность перемещения вдоль оптической оси, размещенную между ними сферическую оболочку, центр которой лежит на оптической оси, систему регистрации, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения, одно из зеркал выполнено сферическим, и центр кривизны его лежит на оптической оси, а плоское зеркало расположено перпендикулярно оптической оси, система освещения, если она установлена со стороны плоского зеркала, выполнена таким образом, что при освещении пучок сфокусирован на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью, а если она установлена со стороны сферического зеркала, выполнена таким образом, что при освещении лучи направлены на сферическое зеркало по нормалям к его поверхности, сферическое зеркало расположено так, что идущие от него по нормалям лучи, пройдя через оболочку, сфокусированы на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью.

Применение сферического зеркала и сфокусированного пучка позволяет освещать только центральную часть оболочки (относительно оптической оси), не освещая ее края, что устраняет дифрагировавшие на краях оболочки лучи. Освещение сферического зеркала по нормали к его поверхности и настройка зеркал так, чтобы эти лучи после прохождения оболочки фокусировались в одной и той же точке на плоском зеркале, создают условия для многократного отражения от зеркал и формирования многолучевой интерференции. Такая настройка также компенсирует рассеивающий эффект оболочки как отрицательной линзы. Все это приводит к обострению интерференционных полос и повышению чувствительности. Сфокусированный на оболочке пучок позволяет уменьшить размер диафрагмы и, соответственно, повысить пространственное разрешение при измерениях.

На фиг. 1, 2 представлена принципиальная схема многолучевого интерферометра, на фиг. 3 - пример выполнения интерферометра с оптико-волоконным световодом.

Многолучевой интерферометр содержит осветительную систему 1, оптический блок интерферометра, состоящий из двух зеркал 2 и 3, контролируемую оболочку 4, расположенную между ними, и систему регистрации 5 или 6. Одно зеркало интерферометра выполнено сферическим и центр его кривизны лежит на оптической оси, второе зеркало - плоское и расположено перпендикулярно оптической оси в точке фокусировки лучей, идущих по нормалям от сферического зеркала после прохождения ими оболочки.

Интерферометр работает следующим образом.

Если первое зеркало 2 интерферометра сферическое (фиг. 1), то система освещения формирует пучок когерентного монохроматического излучения так, что все лучи падают на первое зеркало по нормалям к его поверхности. Лучи, прошедшие зеркало 2 по направлению нормалей, пройдя оболочку 4, фокусируются в точке на оптической оси. В этой точке перпендикулярно оптической оси расположено плоское зеркало 3. Лучи отражаются от плоского зеркала симметрично относительно оптической оси как оси симметрии, проходят снова оболочку, по нормалям же возвращаются к сферическому зеркалу, отражаются от него, повторяя многократный цикл отражений от зеркал. Многократно отраженные лучи интерферируют между собой, образуя многолучевую интерференционную картину.

Если первое зеркало 2 интерферометра плоское (фиг. 2), то система освещения формирует пучок так, что сфокусированный пучок падает на плоское зеркало в точке пересечения его с оптической осью. Прошедший через зеркало пучок проходит оболочку 4 и попадает на сферическое зеркало 3 по нормалям к его поверхности, отражается и направляется к плоскому зеркалу. Далее все повторяется также, как и в случае освещения со стороны сферического зеркала.

Далее, в обоих вариантах часть лучей, прошедшая оптический блок интерферометра или отраженная от него, позволяет регистрировать многолучевую интерференционную картину и попадает на систему регистрации 5 или 6.

Система регистрации прошедшего интерферометр 5 или отраженного от него излучения 6 строит изображение стенки оболочки в плоскости диафрагмы Д. Через диафрагму Д излучение от интерферометра попадает на фотоприемник ФП и далее на систему обработки сигнала.

Одно или оба зеркала имеют возможность периодического или линейного перемещения вдоль оптической оси для реализации модуляционных и других методов обработки информации.

При линейном перемещении зеркала вдоль оси на расстояние больше длины волны сигнал с фотоприемника регистрирует изменение интенсивности I от порядка интерференции N, которое описывается формулой I/I₀ = [1+4Rsin²(Nπ)/(1-R)²]^-1, где I₀ - интенсивность излучения в максимуме интерференционной полосы, R - коэффициент отражения зеркал интерферометра.

При изменении толщины стенки оболочки (например, при ее повороте) изменяется оптическая длина пути интерферирующих пучков, что приводит к сдвигу интерференционных максимумов при линейном перемещении одного из зеркал, или к изменению интенсивности сигнала фотоприемника при неподвижных зеркалах. Электрический сигнал фотоприемника (ФП) системы регистрации дальше обрабатывается для получения необходимой информации.

Предлагаемый многолучевой интерферометр позволяет: - устранить паразитную дифракцию на краях оболочки; - устранить рассеивающее влияние оболочки, как отрицательной линзы, что приводит к обострению интерференционных полос; - увеличить интенсивность излучения на диафрагме системы регистрации за счет фокусировки пучка в интерферометре; - повысить чувствительность интерферометра и точность измерений из-за увеличения интенсивности сигнала и обострения интерференционных полос; - повысить пространственное разрешение интерферометра.

Кроме того: - он меньше по габаритам;
- проще и удобнее в настройке.

При освещении со стороны плоского зеркала сфокусированный пучок можно подавать с помощью оптико-волоконного световода (фиг. 3), а плоское зеркало нанести на торец световода. Это дает дополнительные удобства в настройке и уменьшение габаритов.

Источники информации
1. C. D. Leiner, D.T.Moore. Приборы для научных исследований, N 12, с. 100, 1978.

2. А.В. Веселов, Г.В. Комлева, В.И. Мрачковский, Квантовая элект, т. 13, N 1, с. 25, 1986.

Формула изобретения

1. Многолучевой интерферометр для измерения параметров сферической оболочки, содержащий осветительную систему, расположенный по ходу потока излучения оптический блок, состоящий из двух зеркал, имеющих возможность перемещения вдоль оптической оси, между ними размещена сферическая оболочка, центр которой лежит на оптической оси, систему регистрации, установленную на пути прошедшего оптический блок или отраженного от него излучения, отличающийся тем, что одно из зеркал выполнено сферическим и центр кривизны его лежит на оптической оси, а плоское зеркало расположено перпендикулярно оптической оси, система освещения, если она установлена со стороны плоского зеркала, выполнена таким образом, что при освещении пучок сфокусирован на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью, а если она установлена со стороны сферического зеркала, выполнена таким образом, что при освещении лучи направлены на сферическое зеркало по нормалям к его поверхности, сферическое зеркало расположено так, что идущие от него по нормалям лучи и прошедшие через оболочку сфокусированы на поверхности плоского зеркала в точке пересечения его с оптической осью.

2. Многолучевой интерферометр для измерения параметров сферической оболочки по п. 1, отличающийся тем, что система освещения связана с оптическим блоком через оптико-волоконный световод, а плоское зеркало выполнено на выходном торце световода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3