Теневой метод контроля микронеоднородностей поверхности

Приборы ОНК микрогеометрии поверхности.

ЛК №11.

Примеры схем ДУ

5.1 Современные ДУ представляют собой сложный однокаскадный усилитель с динамической нелинейной нагрузкой и стабилизированными генераторами тока.

Микродефекты поверхности порядка 1/100 длины световой волны можно обнаружить теневым методом, предложенным Л.Фуко. Схема теневого метода контроля поверхности показана на рис.11.1. Принцип его состоит в следующем. На некотором расстоянии от исследуемого объекта (в нашем примере вогнутое зеркало 2) помещается точечный источник света. В том месте, где зеркало дает изображение источника (центра кривизны С зеркала), ставится диафрагма 1 - пластинка с острым прямолинейным краем, называемая ножом Фуко. Если зеркало не имеет дефектов и выходящая из него волна строго сферична, то при движении ножа перпендикулярно оптической оси картина мгновенно и равномерно гаснет, как только нож закрывает изображение источника света. При наличии дефекта 3 лучи будут рассеиваться им (искажая волновой фронт), и часть их пройдет выше ножа. Поэтому в тот момент, когда все поле будет казаться темным, так как основное изображение источника перекрыто ножом, лучи, идущие от дефекта, будут попадать в глаз наблюдателя. Дефект будет казаться освещенным на темном фоне. При повороте ножа на 180⁰ и движении его к оптической оси, дефект затемняется первым и будет казаться освещенным на темном фоне. Чувствительность метода зависит от размера источника света. Большим шагом вперед явилось предложение Д.Д. Максутова заменить точечный источник света щелевым. В настоящее время точечный источник применяют лишь тогда, когда к этому вынуждает специфика измерений.

В случае реальных оптических систем в зависимости от положения и перемещения ножа при наблюдении поверхности зеркала поле зрения имеет вид (I-IV), показанный на рисунке. Зеркало выглядит так, как будто оно освещено сбоку. I - III - изображение бездефектной поверхности при различных смещениях ножа от центра кривизны зеркала, IV - изображение дефекта. Если нож 1 точно расположить в плоскости источника, то его перемещение в направлении, перпендикулярном к оси зеркала, вызовет плавное уменьшение яркости изображения. Дефекты поверхности проявляются в виде пятна, половина которого темная, а половина светлая (пятно со светотенью). Таким способом определяют место и примерный размер дефекта на вогнутых и выпуклых параболических зеркалах. Недостатком метода является трудность количественного определения размеров неровностей.

Этот метод применяют, в основном, в оптическом производстве. Разработан прибор для контроля теневым методом вогнутых и выпуклых параболических зеркал диаметром до 70 мм и радиусом 5 - 50 мм.

Интерферометр ИБА-10, применяемый для контроля теневым методом, снабжен специальной насадкой, которая позволяет определять микродефекты также и на плоских деталях.

Для ОНК высококачественных поверхностей и измерения толщины прозрачных пленок порядка 160-320 мкм применяют приборы, принцип действия которых основан на методах теневого и светового сечения.

Согласно методу светового сечения, на поверхность изделия проектируется изображение узкой светящейся щели, которое рассматривается через измерительный микроскоп, состоящий из объектива и окуляра с винтовым микрометром, при наблюдении отраженных лучей, обычно под углом 45⁰ (рис. 11.2). В местах неровности изображение щели в фокальной плоскости окуляра будет воспроизводить профиль исследуемого участка поверхности. Если, например, на поверхности есть дефект в виде ступеньки, то в поле зрения прибора изображение щели деформировано (разорвано). Величина h пропорциональна высоте ступеньки.

Оптическая схема микроскопа для измерения методом светового сечения представлена на рис.10.15 (микроинтерферометр Линника МИС-11). Свет от источника 1 конденсором 3 направляется на щель 4 (размером 0,1´1 мм). Линзы 6 и 7 проецируют свет на изделие. Изображение щели наблюдают в окуляр 10 микроскопа, состоящего из микрообъектива, линзы и окуляра с измерительным устройством (окулярный винтовой микрометр).

Если нормально к поверхности ОК расположить непрозрачный экран (нож 11), микроскоп работает по методу теневого сечения.

§§Чувствительность продольных и поперечных наводок

При выполнении измерений визуальным способом, часто используют зрительные трубы, микроскопы или лупы. В плоскости действительного изображения зрительной трубы, микроскопа или лупы обычно устанавливают пластинку с перекрестием, шкалой, сеткой, измерительной маркой и другими измерительными элементами – рис.11.4. Используя зрительную трубу или микроскоп в роли отсчетного устройства, наблюдатель должен совместить изображение какого-либо элемента объекта измерения с центром перекрестия или серединой штриха измерительной шкалы, расположенной в плоскости действительного изображения – поперечная наводка. Если объект измерения или измерительный прибор смещают один относительно другого в продольном направлении (вдоль оптической оси) до совмещения изображения объекта измерения с центром перекрестия (или отсчетной шкалой), то такая операция называется продольной наводкой или фокусировкой.

Чувствительностью продольной или поперечной наводки называется наименьшее расстояние между изображением объекта измерения и измерительной маркой (или другими измерительными элементами), при котором наблюдатель уверенно устанавливает факт их несовмещения. Чувствительность продольной наводки обычно выражается в линейной мере, а поперечной – как в угловой, так и в линейной мерах. Чувствительность наводок зависит главным образом от дифракционных явлений, неизбежных в оптических приборах, и от физиологических свойств глаза.

Опытным путем установлено, что наилучшие условия для измерений обеспечены, если диаметр выходного зрака трубы или микроскопа лежит в пределах 0,5–2 мм, освещенность объекта измерения и отсчетных шкал 50–250 лк, контраст изображения достаточно высок, а наблюдатель имеет нормальное зрение. В этих условиях наблюдатель способен зафиксировать взаимное смещение сравниваемых волновых фронтов на 0,1 мкм. Именно эта величина положена в основу формул, определяющих чувствительность наводок в практических случаях.

Чувствительность поперечной наводки в угловой мере равна 10^//, а в линейной вычисляется по формуле А.Н. Захарьевского: D_y = a /s, где a = 0,05 мкм, s – передний апертурный угол. Разрешающая способность глаза 50-60^//.

Чувствительность продольной наводки D_z = b s², где b = 0,2 мкм.

При заданной числовой апертуре чувствительность поперечной наводкивсегда выше продольной – табл.11.1

Таблица 11.1
s	0,05	0,1	0,2
Dy, мкм		0,5	0,25
Dz, мкм
Dy/Dz

Во многих практических случаях чувствительность поперечной и продольной наводок оказывается недостаточной. В связи с этим постоянно изыскиваются новые и совершенствуются существующие способы повышения чувствительности наводок.