Метод и средство измерений геометрических параметров выпуклых сферических и асферических поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Новиков Денис Александрович

• Новиков Денис Александрович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Новиков Денис Александрович

1.4 Выбор направления работы

1.5 Выводы по разделу

Глава 2 Разработка и исследование метода измерений параметров отклонений формы выпуклых сферических и асферических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей

2.1 Особенности измерений параметров отклонений формы выпуклых сферических и асферических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей

2.2 Математический алгоритм измерений параметров отклонений формы выпуклых сферических и асферических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей

2.3 Оценка области применения метода измерений параметров отклонений формы сферических и асферических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей на базе разработанного алгоритма

измерений

2.3 Опробование алгоритма измерений параметров отклонений формы сферических и асферических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей

2.4 Анализ погрешности алгоритма измерений параметров отклонений формы сферических и асферических поверхностей в схеме с

ортогональным ходом лучей

2.4 Выводы по разделу

Глава 3 Разработка оптической схемы и установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей в схеме с ортогональным

3.1 Анализ схемы установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей в схеме с ортогональным ходом

3.2 Выбор схемы узла регистрации установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей

3.2.1 Схема установки с прямой регистрацией интерферограммы

3.2.2 Схема установки с использованием микрообъектива

3.3 Разработка оптической схемы установки

3.4 Алгоритм обработки интерференционного сигнала в схеме установки

3.5 Расчетное обоснование математического алгоритма сшивки интерференционной картины

3.6 Разработка установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей в схеме с ортогональным ходом

3.7 Анализ конструкции установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей в схеме с ортогональным ходом

3.7.1 Анализ конструкции блока интерферометра

3.7.2 Анализ конструкции блока регистратора

3.7.3 Анализ конструкции блока поворотного стола

3.8 Выводы по разделу

3

Глава 4 Теоретические и экспериментальные исследования установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых

поверхностей

4.1 Теоретические исследования установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей

4.1.1 Оценка и определение составляющих погрешностей измерений установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей

4.1.2 Определение и компенсация составляющей погрешности измерений установки, вызванной неплоскостностью лазерного волнового фронта .. 89 4.3 Экспериментальные исследования установки для измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых поверхностей

го порядка

4.4. Выводы по разделу

Заключение

Список литературы

Приложение 1 Опробование метода измерений для частного случая при

измерении параболы с радиусом кривизны 450 мм

Приложение 2 Анализ погрешности метода измерений для частного случая при измерении параболы с радиусом кривизны 450 мм

ВВЕДЕНИЕ

Детали со сферическими и асферическими поверхностями, такие как линзы и зеркала, находят широкое применение в оборонной, космической, оптико-механической промышленностях, микроэлектронике и научных исследованиях.

Использование асферических поверхностей позволяет уменьшить габариты оптических систем приборов, улучшить качество изображения, а также существенно уменьшить аберрации системы.

Для контроля и измерений отклонений формы таких поверхностей существует множество рабочих средств измерений как отечественного, так и зарубежного производства, например, интерферометры, работающие по схеме Физо (предприятий АО «ЛОМО», ЗАО «Дифракция», ООО «Опто-ТЛ», фирмы Zygo и др.), датчики волнового фронта, контактные универсальные приборы для измерений профиля поверхности (фирмы Taylor Hobson, Mahr и др.) и т.д.

Задачу метрологического обеспечения измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей выполняет государственный первичный специальный эталон ГЭТ 183, который еще недавно обеспечивал воспроизведение, хранение и передачу единицы длины только для плоских оптических поверхностей.

Однако на данный момент в стране отсутствует метрологическое обеспечение в области измерений параметров отклонений формы выпуклых асферических поверхностей: отсутствуют эталонные средства измерений, методики поверки и калибровки, государственные поверочные схемы и т.д.

Разработка универсального эталонного средства измерений осложняется тем, что известные методы измерений параметров отклонений формы асферических поверхностей либо, ввиду своей специфики, привязаны к определенному типу поверхности, либо не позволяют измерять с точностью, соответствующей современным требованиям промышленности.

В связи с вышесказанным научно-техническая задача разработки, исследований, научного обоснования универсального метода и средства метрологического обеспечения измерений параметров отклонений формы оптических (сферических и асферических) поверхностей является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и средств метрологического обеспечения измерений параметров отклонений формы выпуклых крупногабаритных сферических и асферических поверхностей.

Предмет исследований

Исследованиями и разработкой методов и средств измерений параметров отклонений формы выпуклых поверхностей занимаются такие отечественные предприятия как АО «ЛОМО», АО «ЛЗОС», НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова», институт «ИТМО» и другие предприятия, специализирующиеся на изготовлении крупногабаритной сферической и асферической оптики. Однако в проведенных до настоящего времени исследованиях авторы либо занимаются разработкой метода и средства измерений для конкретной формы асферической поверхности, либо исследуют и разрабатывают методы измерений и контроля формы асферической поверхности, не решая при этом вопросы реализации этих методов, а также, не рассматривая проблемы создания эталонной базы в данной области измерений.

Настоящая диссертационная работа является дальнейшим теоретическим развитием и практическим воплощением ранее предложенных идей, решает проблему создания средства измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей и метрологического обеспечения в данном виде измерений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средство измерений геометрических параметров выпуклых сферических и асферических поверхностей»

Задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор состояния метрологического обеспечения измерений формы оптических выпуклых поверхностей.

2. Разработать метод измерений параметров отклонений формы выпуклых поверхностей, а также оптическую схему установки для измерений параметров отклонений формы выпуклых поверхностей.

3. Разработать универсальное средство измерений, реализующего метод измерений параметров отклонений формы выпуклых поверхностей.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования установки для измерений параметров формы выпуклых поверхностей с целью определения ее метрологических характеристик.

Научная новизна работы

1. Впервые получено математическое выражение для определения профиля выпуклой поверхности в схеме с ортогональным ходом лучей.

2. Впервые применен для решения задачи определения профиля выпуклой поверхности алгоритм измерений отклонений формы выпуклой поверхности, основанный на измерении отклонений стрелки прогиба поверхности через параметры интерференционной картины - расстояний между центрами полос интерференционной картины и высоты до центров полос интерференционной картины.

3. Для схемы с ортогональным ходом лучей впервые осуществлена компенсация погрешности, вызванной отклонением формы опорного лазерного плоского волнового фронта.

Положения, выносимые на защиту

1. Погрешность метода измерений профиля выпуклых оптических

поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей через параметры

7

интерференционной картины (расстояния между центрами полос интерференционной картины и высоты до центров полос интерференционной картины) не превышает 4 нм;

2. В схеме с ортогональным ходом лучей применение конструкции с перемещением на расстояние до 200 мм в плоскости анализа приемного устройства позволяет реализовать интерференционный метод измерений профиля выпуклых оптических поверхностей размером до 250 мм с градиентом асферичности 8 мкм/мм.

3. Для схемы с ортогональным ходом лучей наибольший вклад в погрешность измерений параметров формы оптических поверхностей вносит составляющая погрешности измерений, вызванная неплоскостностью опорного волнового фронта (77,8 %) и погрешность измерений, вызванная отклонением расстояния между центрами полос интерференционной картины (16,1 %).

4. В схеме с ортогональным ходом лучей, применение способа компенсации составляющей погрешности измерений, вызванной неплоскостностью опорного волнового фронта, заключающегося в определении профиля волнового фронта и дальнейшем его учете при расчете расстояния между центрами полос интерференционной картины, позволяет уменьшить систематическую погрешность измерений не менее чем в 4 раза.

Практическая значимость и использование результатов работы

1. Разработанное средство измерений, работающее на базе интерференционной установки с ортогональным ходом лучей, вошло в состав Государственного первичного специального эталона единицы длины в области измерений параметров отклонений от плоскостности и сферичности оптических поверхностей (ГЭТ 183) и успешно прошло государственные испытания.

2. Полученный алгоритм измерений может эффективно использоваться

на оптических предприятиях для контроля выпуклых поверхностей без

8

использования вспомогательных оптических элементов, размеры которых превосходят размеры поверхностей измеряемых деталей.

Достоверность результатов работы

Математическое выражение для определения формы контролируемой поверхности, а также математическая модель измерений параметров отклонений формы выпуклых оптических поверхностей в схеме с ортогональным ходом лучей построены с помощью широко применяемого метода математического анализа и на основе решений линейных дифференциальных уравнений. Полученные экспериментальные результаты согласуются с предварительно проведенными теоретическими расчетами.

Личный вклад автора

Автор диссертационной работы лично:

- провел обзор существующих методов и средств измерений геометрических параметров формы выпуклых оптических поверхностей, сформулировал требования к установке, которая обеспечивает измерение геометрических параметров формы выпуклых оптических асферических поверхностей размерами до 250 мм;

- получил математическое выражение для определения формы измеряемой поверхности в схеме с ортогональным ходом лучей;

- осуществил с помощью инженерной программы МаШсаё математическое моделирование теоретической формы измеряемой поверхности по полученному математическому выражению, таким образом, подтвердив работоспособность разработанного алгоритма измерений;

- разработал математическую модель измерений параметров отклонений формы выпуклой поверхности в схеме с ортогональным ходом лучей;

- провел теоретические и экспериментальные исследования разработанной установки.

- разработал методики измерений параметров отклонений формы асферических поверхностей с применением интерференционных установок.

Апробация работы

1. Результаты научных исследований диссертационной работы докладывались на следующих российских и международных научно-практических конференциях:

- Десятая международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», г. Суздаль,

2017 г.;

- VII Международный Конкурс «Лучший молодой метролог КООМЕТ» г. Астана, 2017 г.;

- Симпозиум «Методы измерения и математическое моделирование физических процессов: биофотоника, оптика и радиолокация» в рамках VII международной научно-практической конференции «Симметрии: Теоретические и методические аспекты», г. Астрахань, 2018 г.

- Одиннадцатая Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» г. Суздаль,

2018 г.;

2. Основные положения работы отражены в 22-х публикациях, в том числе: в 7-и журналах, рекомендованных ВАК, в 3-х журналах, индексируемых в базе данных «Scopus».

3. Положения, представленные в диссертации, были использованы в опытно-конструкторской работе «Разработка средств и методов метрологического обеспечения параметров и свойств поверхностей на основе многофункционального распределенного эталонного комплекса», шифр «Поверхность» ФГУП «ВНИИМС», а изготовленная в рамках ОКР установка для измерений параметров отклонений формы вошла в состав ГЭТ 183-2022.

Глава 1 Современное состояние измерений геометрических параметров формы сферических и асферических поверхностей

Оптические приборы широко применяются в различных областях науки и техники. Каждый оптический прибор состоит из оптических деталей, форма которых ограничивается типом поверхности: плоскими, сферическими или асферическими [1-2].

Плоские поверхности в отличии от других конструктивно ограничены только размерами. Сферические и асферические могут изготавливаться выпуклой и вогнутой формы.

Профиль формы асферических поверхностей характеризуется следующим выражением [1-2]:

где у - координата профиля асферической поверхности; Я -радиус кривизны; к - коническая константа (связана с эксцентриситетом: к = -е2), ^¿„-коэффициенты, характеризующие высшие порядки.

Выражение (1.1) описывает профиль асферических поверхностей высших порядков. Частным случаем является выражение для асферических поверхностей 2-го порядка:

В выражении (1.2) коническая константа к может иметь разные значения в зависимости от типа поверхности: гиперболическая при значении к < -1 и к > 1, эллипсоидная при значениях к от -1 до 0 и от 0 до 1, параболическая при к = -1 и сферическая при к = 0.

(1.1)

(1.2)

Ввиду специфики и большой вариативности асферических поверхностей существует множеством методов и средств контроля их формы. Далее рассмотрим эти методы.

1.1 Методы и средства измерений геометрических параметров формы сферических и асферических поверхностей

На данный момент основными методами измерений параметров отклонений формы сферических и асферических поверхностей (далее по тексту - АП) являются контактные и бесконтактные методы.

Контактные методы измерений

К контактным средствам измерений относятся координатно-измерительные машины, профилометры [1] и кругломеры [7] и т.д.

Координатно-измерительные машины применяются при измерениях сложно профильных поверхностей, к которым относятся АП [1].

Традиционные координатно-измерительные машины (КИМ) представляют собой портальную конструкцию и состоят из прямоугольной гранитной плиты, на которую устанавливают подвижный портал с траверсой, несущей измерительную головку с датчиком. Перемещение портала и траверсы осуществляется в большинстве КИМ на воздушных подшипниках по направляющим. При помощи датчика считываются перемещения по осям и определяют координаты точки, измеряемой АП. Точность измерений данным методом может достигать 2-3 мкм. Недостатком метода с использованием координатно-измерительной машины является то, что измерения проводят по дискретным точкам.

Действие профилометра основано на принципе ощупывания

неровностей исследуемой поверхности алмазной иглой (щупом) и

преобразования возникающих при этом механических колебаний щупа в

изменения напряжения, пропорциональные этим колебаниям, которые

усиливаются и преобразуются в микропроцессоре. Данный метод позволяет

12

получать информацию о форме поверхности с погрешностью 0,5 - 2 нм. Недостатком метода является то, что измерения проводятся только по заданной траектории, а не по всей поверхности. Для того чтобы измерить всю поверхность нужно проводить измерения множества профилей, что приводит к снижению точности, а также к большому времени измерений.

Также следует отметить, что существенным недостатком всех контактных методов при измерении оптической поверхности, имеющей покрытие, то, что в процессе измерений из-за контакта с измеряемой поверхностью покрытие может получить механические повреждения.

Бесконтактные методы измерений

Бесконтактные методы условно можно разделить на три группы: методы, использующие законы геометрической оптики (теневые, экранные методы Гартмана) [6, 31, 32], и методы, использующие волновые свойства света (интерференционные) [3, 8, 9, 11], а также методы, использующие оба эти свойства («методы аберрационных точек»).

Теневые методы применяют для контроля формы поверхности оптических зеркал. Рассмотрим принцип работы этих методов. Проверяемое зеркало освещается точечным источником света. В центр кривизны сферы помещается непрозрачный экран с острой кромкой, затеняющий в формируемом изображении точечный источник. При отсутствии отклонений формы зеркала, нож, перекрывая основной световой поток точечного источника, равномерно затеняет формируемое зеркалом изображение. Если поверхность сферы имеет дефекты - формируемое изображение, в зависимости от знака и степени ошибки радиуса локальной кривизны, имеет светлые или тёмные области.

Данные методы достаточно просты в реализации, однако позволяют получить только качественную оценку отклонений формы.

Сущность экранных методов измерений (методов Гартмана)

заключается в ограничении светового потока непрозрачным экраном с

13

отверстиями, координаты которых известны, и последующем анализе координат пятен, образованных лучами, прошедшими через эти отверстия.

На рис. 6 представлена схема измерений прибора, в котором реализован метод Гартмана. Сформированный волновой фронт поступает на коллиматор 1 и преобразуется в плоский волновой фронт 2. Далее на пути излучения расположен растр микролинз 3. В случае, когда оптическая система прибора не вносит искажений в волновой фронт опорного источника излучения, каждый элемент растра фокусирует излучение на своей оптической оси (рис. 1.6, а). Если же волновой фронт имеет отклонения (рис. 1.6, б), то растр создает на ПЗС матрице 4 набор световых пятен, по взаимному расположению 5 которых определяются параметры отклонения формы.

■В □ В В!

вв □ □ вв

Е2 □ в вв

■В □ в В!

а 3

!Е

:Б

■ЯП

■ г ■Ь

Б

В

б

Рисунок 1.6 - Схема измерений прибора в котором реализован метод Гартмана: а) волновой фронт без отклонений; б) волновой фронт с

отклонениями.

Точность данного метода может достигать 20 - 50 нм [31]. Недостатком данных методов является то, что измерения проводятся в дискретных точках.

Интерференционные методы

В тех случаях, когда профиль АП не сильно отличается от формы сферических поверхностей (далее СП) (не более, чем несколько мкм), используют так называемые «прямые методы» измерений. При этом используют ту же схему интерферометра, которую используют для контроля формы сферических поверхностей. Полученная интерферограмма будет нести информацию об отклонениях формы АП. Данные методы достаточно просты, не требуют дополнительных модификаций схемы интерферометра (например, добавление компенсаторов), однако имеют достаточно ограниченное применение и низкую точность измерений - 60-300 нм.

В методах «анаберрационных точек» используют свойство АП второго порядка. Практическое использование этих методов требует создания «автоколлимационной системы», состоящей из контролируемой поверхности и вспомогательного сферического (или плоского) зеркала. Принцип построения автоколлимационной системы заключается в том, что центр кривизны сферического зеркала совмещают с одним из геометрических фокусов АП, а точечный источник света или его изображение - с другим геометрическим фокусом. Благодаря этому обеспечивается автоколлимационный ход лучей в системе, причем лучи света дважды отражаются от контролируемой поверхности и один раз от вспомогательного зеркала. Основными средствами, в которых реализован метод «анаберрационных точек», являются интерферометры.

Интерференционные методы с использованием компенсаторов применяют для контроля параметров отклонений формы АП как второго, так и высших порядков. Сущность методов заключается в том, что используются специальные элементы - компенсаторы, представляющие собой линзовые, зеркальные или голографические элементы, которые преобразуют плоский или сферический волновой фронт, совпадающий с теоретической формой АП. Возникающая при отражении этого фронта интерференционная картина несет

в себе информацию об отклонениях формы АП.

15

На рис. 1.8-1.9 представлены схемы измерений интерференционных методов с использованием компенсаторов.

использованием линзового компенсатора

Рисунок 1.9 - Схема измерений интерференционного метода с использованием голографического компенсатора

Компенсационные методы позволяют измерять параметры отклонений

формы с погрешностью 5 - 10 нм. При этом измеряется вся поверхность.

Недостатком является то, что используемый компенсатор привязан к

конкретной форме АП. Для устранения этой проблемы могут использовать

специальные вариокомпенсаторы, состоящие из 3-5 линз. Однако точность

измерений при этом может существенно уменьшиться [1, 32].

Все вышеуказанные методы успешно применяются для контроля

вогнутых зеркал. Выпуклые зеркала являются наиболее сложными для

контроля, т.к. они увеличивают расходимость светового пучка, направленного

на них. В связи с этим для контроля выпуклых зеркал указанными методами

необходимо применять вспомогательные оптические элементы

16

(компенсаторы или зеркала), размеры которых превышают размер контролируемой области зеркала. Зачастую при контроле зеркал большого диаметра это приводит к необходимости контроля по частям с последующей «сшивкой» интерферограмм, полученных от разных участков контролируемого зеркала (метод переналожений). Это, в свою очередь, ведет к потере точности. Поэтому разработка универсального метода контроля выпуклых асферических зеркал, не требующего применения крупногабаритных вспомогательных оптических элементов, является актуальной задачей.

Возможным решением этой задачи является использование принципиально новой схемы освещения контролируемой поверхности пучком лучей, падающим на поверхность перпендикулярно оси ее симметрии, так называемый метод ортогональных лучей (рис. 1.10) [15, 16, 20].

Рисунок 1.10 - Схема метода ортогональных лучей

Однако на базе этой схемы к настоящему времени не создано ни одного

устройства, но предложен вариант ее реализации интерференционным

методом регистрации и обработки интерферограммы.

Интерференционный метод основан на взаимодействии двух волновых

фронтов, один из которых направляется на регистрирующий элемент после

17

отражения от КП, а другой, минуя ее, причем падающий пучок лучей следует в направлении перпендикулярно оси симметрии КП. В плоскости, перпендикулярной меридиональному сечению и содержащей ось симметрии, возникает интерференционная картина, содержащая информацию о профиле контролируемой АП. Вид интерференционных полос позволяет судить о качестве КП. Регистрация интерференционной картины может выполняться с помощью ПЗС приемника, что позволяет автоматизировать процесс контроля путем вращения контролируемой поверхности вокруг оси. Анализ интерференционной картины заключается в измерении расстояния между интерференционными полосами, их положения относительно либо вершины АП, либо опорной интерференционной полосы, принятой за начало отсчета [16, 20].

Данный метод может быть реализован без применения крупногабаритных вспомогательных оптических элементов. Теоретически погрешность измерений, обеспечиваемая этим методом в схеме с ортогональным ходом лучей, составляет около 10-20 нм.

Недостатком схемы ортогональных лучей является необходимость сканирования для получения информации обо всей поверхности. Кроме того, расшифровка полученной измерительной информации (интерферограммы, гартманограммы, теневой картины) представляется сложной научно-технической задачей.

Проведенный аналитический обзор методов измерений параметров отклонений формы СП и АП представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Название метода Измеряемая форма Точность измерений Достоинства Недостатки

1 .Контактные

1.1 С использованием контактно-механических средств СП, АП до 2-3 мкм Универсальност ь Контактные измерения

(профилометры, КИМ)

2. Бесконтактные

2.1 Неинтерференционные

2.1.1 Теневые СП, АП 2-го порядка Универсальност ь Только качественная оценка

2.1.2 Экранные СП, АП 20 - 50 нм Универсальност ь Измерения в дискретных точках

2.2 Интерференционные

2.2.1 Прямые методы СП или АП с близкой к сферической поверхности 60-300 нм Простота, нет необходимости в модификации схемы, измерения по всей поверхности, измерения по всей поверхности Профиль АП не сильно отличается от формы сферической поверхности, наличие эталонного сферического элемента

2.2.2 Компенсационные АП 5 - 10 нм Высокая точность измерений, измерения по всей поверхности Без вариокомпенса тора привязаны к одной АП

2.2.3 Методы аберрационных точек АП 2-го порядка 30-50 нм Измерения по всей поверхности Только АП 2-го порядка, наличие дополнительно го сферического элемента

2.3 Метод ортогональных лучей СП, АП 10-20 нм Универсальность , отсутствие крупногабаритны х вспомогательных оптических деталей Сложное ПО, сканирование

1.2 Анализ нормативно-методической документации в области измерений геометрических параметров формы сферических и асферических поверхностей

В таблице 1.2 представлены основные стандарты в области измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей.

Таблица 1.2 - Стандарты в области измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей_

№ Наименование

1 ISO 12781 «Геометрические характеристики изделий (GPS). Плоскостность»

2 ГОСТ Р 8.743-2011/ISO/TR14999-1:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 3. Термины, определения и основные соотношения»

3 ГОСТР 8.744-2011/ISO/TR 14999-3:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 3. Калибровка и аттестация интерферометров, методика измерений оптических волновых фронтов»

4 ГОСТ Р 8.745 - 2011/ISO/TR 14999-2:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 2. Измерения и методика оценки результатов»

5 МИ 501-84 «Интерферометры ИТ-200, ИТ-200А, ИТ-200Б. Методы и средства поверки»

6 ГОСТ 2786-82 «Стекла пробные для поверки радиусов и формы сферических оптических поверхностей. Технические условия»

Основные определения для параметров отклонений формы регламентируются в международном стандарте ISO 12781 [35]. В стандарте качество поверхности характеризуется наибольшим отклонением от номинальной поверхности P-V и средним квадратичным отклонением (RMS). Отклонение от плоскостности P-V определяется как разница между наибольшим и наименьшим значением (рис. 1.11).

PV

Рисунок 1.11 - Отклонение от плоскостности P-V максимальный размах Среднее квадратичное отклонением RMS определяется по формуле:

где А - область измеряемой поверхности, Л - локальное отклонение формы.

Стандарт распространяется на детали с плоскими поверхностями, однако с учетом того, что основные параметры указывают для отклонения формы поверхности от ее номинального значения, т.е. не важна сама форма поверхности, то параметры отклонения формы и выражения для их определения применимы и для сферических поверхностей или АП.

Стандарты Р 8.743-2011, Р 8.744-2011 и Р 8.745-2011 [36-38] являются полностью идентичными IS0/TR14999-1:2005, ISO/TR 14999-3:2005 и ISO/TR 14999-2:2005. Стандарты содержат общую информацию об основных средствах измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей - интерферометров, принципы их работы, основные термины и определения, описывают процедуру измерений.

ГОСТ Р 8.743-2011 содержит термины, определения, а также фундаментальные физические и технические принципы интерферометрии оптических волновых фронтов и форм поверхностей оптических элементов. В

(1.3)

стандарте указаны основные типы интерферометров - средств измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей [12].

В ГОСТ Р 8.744-2011 описаны методы оценки качества оптических элементов и систем в целом, имеющих отношение к производимым ими (элементами и системами) деформациям волнового фронта. В документе указано, что основными методами измерений параметров отклонений формы являются интерференционные, а средствами - интерферометры типа Тваймана-Грина, Физо и сдвиговые интерферометры. Следует отметить, что в самом документе описан только метод измерений, отсутствует процедура передачи единицы длины средствам измерений посредством их калибровки [13].

ГОСТ Р 8.745-2011 описаны принципы измерений с использованием интерферометров, указаны основные составляющие погрешности измерений, а также методы ее компенсации [14].

МИ 501-84 [39] описывает методы и средства первичной и периодической поверки отечественных интерферометров ИТ. В методических указаниях в качестве эталонных средств измерений параметров отклонений формы используют пробные стекла, изготовленные по ГОСТ 2786-82 [40].

Также в стандарте указаны требования к внешним условиям для интерферометров (табл. 1.3).

Таблица 1.3 - Требования к внешним условиям при измерениях на интерферометрах

Внешние условия Значение

Температура 20±5°С, колебания температуры воздуха в помещении должны быть в пределах 2°С.

Влажность не более 80%

Вибрации* Частота возмущающих гармоничных вибраций, действующих на интерферометр, не должна превышать 30 Гц. При частотах вибраций менее 1 Гц амплитуда виброперемещения не должна превышать 0,06 мм/с.

* При отсутствии виброизолирующего стола

Важной особенностью является то, что требования к внешним условиям

являются типовыми для большинства интерферометров. В зависимости от

методов обработки интерферограмм и используемой аппаратуры к

22

температуре помещения, где установлен интерферометр могут предъявлять более жесткие требования - температура не должна превышать 20±2оС, а колебания температуры воздуха в помещении должны быть в пределах 1о С.

В стандарте в качестве параметра отклонений формы поверхности принят максимальный размах.

В ГОСТ 2786-82 указаны основные характеристики пробных стекол (табл. 1.4).

Таблица 1.4 - Технические характеристики пробных стекол

Значение радиуса кривизны, мм Допускаемой отклонение формы по параметру PV, мкм

Вогнутые поверхности Выпуклые поверхности

От 0,5 до 37,5 вкл. 0,054 0,135

Св. 37,5 до 5000,0 вкл. 0,054 0,135

Св. 5000 0,013 0,027

В ГОСТ 2786-82 указаны номинальные размеры пробных стекол - до 130 мм. Также указано, что при необходимости по нормативно-технической документации допускаются изготовление пробных стекл большего размера.

Следует отметить, что пробные стекла не внесены в реестр средств измерений, однако их используют при поверке интерферометров ИТ.

Проведен аналитический обзор нормативной базы. Выявлено, что основные средства измерений параметров отклонений формы -интерферометры, работающие по схемам Физо. Основные параметры отклонений формы являются максимальный размах - PV. Основными средствами поверки сферических поверхностей являются пробные стекла, изготовленные по ГОСТ 2786-82.

Проведенный аналитический обзор показал, что на сегодняшний день в области измерений параметров отклонений формы оптических поверхностей существует только общая нормативно-методической документация, регламентирующая методы измерений формы оптических поверхностей и их основные параметры отклонений формы, однако отсутствуют методики калибровки, поверки средств измерений параметров отклонений формы сферических и асферических поверхностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Новиков Денис Александрович, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976. 262 с.

2. Оптический производственный контроль/ Под ред. Д. Малакары: Пер. с англ. Е.В. Мазуровой и др.; Под ред. А.Н. Соснова. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

3. Применение дифракционной оптики в измерительной технике/А.Г. Полещук [и др.] // Компьютерная оптика. 2001. Выпуск 22. C. 85-95.

4. Способ измерения профиля оптических поверхностей: а.с. 1044969 СССР, МКИ^ 01 В II/24. / Д.Т. Пуряев (СССР). № 3467407.25-28; Заявлено 09.07.82; Опубл. 30.09.83, Бюлл. № 36. 3 с

5. Новиков Д.А., Гавлина А.Е., Баландин И.А. Интерферометр для контроля формы выпуклых зеркал оптических и радиотелескопов, построенный по схеме ортогональных лучей. Батшев В.И., Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67. № 1. С. 44-50

6. Дружин В.В., Пуряев Д.Т. Метод Гартмана для контроля форы выпуклых асферических зеркал крупных оптических телескопов // Оптический журнал. 2007. Т.74, №12. C. 4-7

7. Исследование методов повышения точности измерений геометрических параметров отклонения от круглости. Лысенко В.Г., Костеев В.А., Милованова Е.А., Табачникова Н.А., Новиков Д.А. Законодательная и прикладная метрология. 2022. № 2 (176). С. 26-33

8. Druzhin V.V., Batshev V.I. New methods for optical testing of large convex aspheric astronomical mirrors // Proc. IONS-8. Moscow, 2010. P. 34 - 35

9. Батшев В.И., Малиновская Е.Г. Измерение формы крупных выпуклых асферических зеркал // Прикладная оптика - 2010: Сборник трудов МНТК. СПб, 2010. Т.1, №1. С. 25-28.

10. Kostrikov O., Kupko V., Shloma A., Novikov D., Lysenko V., Milovanova E., Tabachnikova N., Makarevich V. Comparisons of national

standards of the unit of length in the field of measuring the parameters of deviation from flatness of optical surfaces Coomet.L-S15.. Measurement Techniques. 2021.

11. Batshev V.I., Druzhin V.V. Optical testing of high-aperture convex aspherical mirrors using of a raster wavefront analyzer // Proc. IONS-8. Moscow, 2010. P. 16 - 17.

12. Novikov D.A., Milovanova E.A., Ivannikova N. V., Tabachnikova N.A. GET 183-2019: State primary special standard of the unit of length in the field of measurements of the parameters of deviations of optical surfaces from flatness. Measurement Techniques. 2020. Т. 62. № 11. С. 929-932.

13. Новиков Д.А., Батшев В.И. Метрологическое обеспечение измерений параметров отклонений формы асферических поверхностей в оптической промышленности. Законодательная и прикладная метрология. 2017. № 2 (147). С. 33-35.

14. В.Г.Лысенко, Н.А. Табачникова, Д.А. Новиков. Государственный первичный специальный эталон единицы длины для параметров отклонений от плоскостности оптических поверхностей размером до 200 мм. Метрология. 2015. № 6. С. 10-13.

15. Gavlina A.E., Novikov D.A., Askerko M.V. Orthogonal ray scheme: a method for processing interference patterns and reconstructing the shape of a test convex mirror. Journal of Physics: Conference Series. 16. Сер. "16th International Conference Optical Methods of Flow Investigation, OMFI 2021" 2021. С. 012066

16. Askerko M.V., Batshev V.I., Gavlina A.E., Novikov D.A. Orthogonal ray interferometer: modification for testing convex and concave mirror surfaces. Journal of Physics: Conference Series. 16. Сер. "16th International Conference Optical Methods of Flow Investigation, OMFI 2021" 2021. С. 012067Полещук А.Г., Маточкин А.Е. Лазерные методы контроля асферической оптики // Фотоника. Техносфера, 2011. № 2. С. 38-44.

17. . Батшев В.И., Гавлина А.Е., Новиков Д.А. Методы контроля

выпуклых зеркал большого диаметра В сборнике: Информационные

технологии и технологии коммуникаций. Современные

102

достижения. Материалы Четвертой Международной научной конференции, посвященной 90-летию со дня основания Астраханского государственного технического университета. Астрахань, 2020. С. 2.

18. Бабаджанова М.Л., Зуйкова Н.А., Иванникова Н.В., Карабанов Д.А., Костеев В.А., Лысенко В.Г., Маликов К.И., Милованова Е.А., Новиков Д.А., Род И.А., Табачникова Н.А. Метрологическое обеспечение измерений геометрических параметров. Главный метролог. 2020. № 4 (115). С. 30-39.

19. Батшев В.И., Новиков Д.А., Гавлина А.Е., Баландин И.А. Юстировка интерферометра для контроля формы выпуклых зеркал большого диаметра, работающего по схеме ортогональных лучей. В сборнике: Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. Материалы 13-й Международной научно-технической конференции. Москва, 2020. С. 62-63.

20. Новиков Д.А., Иванникова Н.В., Батшев В.И., Мачихин А.С., Гавлина А.Е. Метод контроля формы выпуклых оптических сферических и асферических поверхностей и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU 2706388 C1, 18.11.2019. Заявка № 2019103813 от 12.02.2019.

21. . Gavlina A.E., Batshev V.I., Sergeeva M.V., Novikov D.A. Interferometer for large convex optical aspheric surfaces testing.. В сборнике: Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XI. 2019. С. 110563T.

22. Gavlina A.E., Batshev V.I., Sergeeva M.V., Novikov D.A.Topography mapping of convex aspheric surface up to 300 mm diameter using "orthogonal ray" method. В сборнике: Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 25th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Novosibirsk, 2019. С. 112082K.

23. Gavlina A.E., Sergeeva M.V., Novikov D.A. Compact interferometer for precise shape testing of large-size convexaspherical mirrors..

В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. 15th International Conference on Optical Methods of Flow Investigation. 2019. С. 012021.

24. Гавлина А.Е., Батшев В.И., Новиков Д.А. Интерференционная установка для контроля формы выпуклых асферических зеркал диаметром до 250 мм. В сборнике: Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. Материалы 12-й Международной научно-технической конференции. Сер. "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" 2019. С. 141143.

25. . Batshev, V.I., Gavlina, A.E., Novikov, D.A. Testing method of large-sized convex optical surfaces В сборнике: Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 2018. С. 108331R.

26. Новиков Д.А., Кононогов С.А., Золотаревский С.Ю., Вишняков Г.Н., Гусев А.С., Левин Г.Г., Лясковский В.Л.. Анализ неопределенностей, обусловленных методическими и инструментальными погрешностями интерферометрии параметров рельефа и формы поверхности. Метрология. 2013. № 8. С. 31-37.

27. Novikov D.A., Kononogov S.A., Zolotarevskii S.Yu., Lyaskovskii V.L., Vishnyakov G.N., Gusev A.S., Levin G.G. Analysis of uncertainties caused by procedural and instrumental interferometry errors in the texture and shape parameters of a surface. Measurement Techniques. 2013. Т. 56. №2 9. С. 1006-1010.

28. Горшков В.А., Ломакин А.Г., Невров А.С., Новиков Д.А. Технологическая программа обработки интерферограмм методом фурье-преобразования. Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 4. С. 44-50.

29. Применение дифракционной оптики в измерительной технике/ А.Г. Полещук [и др.] // Компьютерная оптика. 2001. Выпуск 22. C. 85-95.

30. Батшев В. И., Бадунова Е. А., Польщикова О. В. Перспективные методы контроля качества выпуклых асферических зеркал большого диаметра // Наука и образование. Эл. № ФС 77-48211. 2013.- №12. С. 515-526.

31. Дружин В.В., Пуряев Д.Т. Метод Гартмана для контроля форы выпуклых асферических зеркал крупных оптических телескопов // Оптический журнал. 2007. Т.74, №12. C. 4-7.

32. Захарьевский А.Н. Интерферометры. - М.: ГИОП,. 1952. - 296 с.

33. Дружин В.В. Методы измерения и контроля формы выпуклых асферических зеркал оптических телескопов. 2008.

35. ISO 12781 «Геометрические характеристики изделий (GPS). Плоскостность».

36. ГОСТ Р 8.743-2011/ISO/TR14999-1:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 3. Термины, определения и основные соотношения».

37. ГОСТР 8.744-2011/ISO/TR 14999-3:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 3. Калибровка и аттестация интерферометров, методика измерений оптических волновых фронтов».

38. ГОСТ Р 8.745 - 2011/ISO/TR 14999-2:2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 2. Измерения и методика оценки результатов».

39. МИ 501-84 «Интерферометры ИТ-200, ИТ-200А, ИТ-200Б. Методы и средства поверки».

40. «Стекла пробные для поверки радиусов и формы сферических оптических поверхностей. Технические условия».

41. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде Matlab. М.: Техносфера, 203. 616 с.

42. Lewis, J. P., "Fast Normalized Cross-Correlation," Industrial Light & Magic.

43. Haralick, Robert M., and Linda G. Shapiro, Computer and Robot Vision,

Volume II, Addison-Wesley, 1992, pp. 316-317.

105

44. В. Г. Лысенко, Д. А. Новиков. Разработка и исследования универсального прецизионного интерференционного средства измерений геометрических параметров отклонений формы выпуклых асферических и сферических поверхностей. Законодательная и прикладная метрология. №1 2022. С. 26.

Опробование метода измерений для частного случая при измерении параболы с радиусом кривизны 450 мм

Анализ погрешности метода измерений для частного случая при измерении

параболы с радиусом кривизны 450 мм

y.Y