Способ определения неоднородности температурного коэффициента линейного расширения оптической заготовки

Способ определения неоднородности температурного коэффициента линейного расширения оптической заготовки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов, в частности определения неоднородности температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) заготовок твердых материалов. Изобретение может быть использовано для определения неоднородности ТКЛР оптических заготовок, в том числе заготовок из малорасширяющихся оптических материалов (таких как ситаллы), предназначенных для изготовления крупногабаритных зеркал астрономических телескопов.

Известен способ определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, при котором из нескольких различных участков исследуемой заготовки изготавливают образцы, измеряют абсолютное значение ТКЛР этих образцов и определяют характеристики неоднородности ТКЛР путем сравнения результатов измерения, полученных для отдельных образцов, при этом согласно способу абсолютное значение ТКЛР образцов измеряют при помощи кварцевого электромеханического дилатометра. (A review of measurement systems for evaluating thermal expansion homogeneity of Corning Code 7971 ULE^TM /Proc. SPIE Vol.1533, 1991, p.201-202.)

Основным недостатком такого способа является невысокая точность измерения из-за существенной зависимости показаний от температурного режима кварцевого стержня, используемого в дилатометре.

Известен интерференционный способ измерения абсолютного ТКЛР образца, при котором используется дилатометр, содержащий интерферометр типа Физо, образованный поверхностями двух отражательных элементов, помещенных вместе с образцом в печь-термостат, при этом данный дилатометр содержит держатель образца из материала с известным ТКПР, причем нижняя отражающая поверхность интерферометра жестко связана с держателем, а верхняя имеет контакт с держателем и с образцом, установленным в держателе и опирающимся на клиновидную регулировочную пластину (Патент РФ №2089890, кл. G 02 В 25/16, G 01 B 9/02, опубл.10.09.97).

Точность измерения с использованием такого устройства недостаточна, поскольку измерение основано на изменении угла между отражающими поверхностями интерферометра Физо, что не обеспечивает высокой чувствительности к линейному расширению образца, кроме того, реализуемый в нем принцип интерференционных измерений основан на определении изменения периода интерференционных полос, погрешность которого существенно зависит от качества изготовления отражающих поверхностей интерферометра.

Известен способ определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, выбранный в качестве прототипа, при котором из нескольких различных участков исследуемой заготовки изготавливают образцы, каждый из которых имеет два опорных торца, помещают в термостат образец и два отражательных элемента (верхний и нижний) так, чтобы отражающие поверхности этих элементов образовали интерферометр типа Физо, контактируя с соответствующими опорными сторонами образца, освещают эти элементы параллельным пучком когерентного монохроматического излучения, изменяют температуру в термостате, регистрируют картину интерференционных полос, одновременно измеряют температуру в термостате, определяют изменение координат интерференционных полос в зависимости от изменения температуры, повторяют последовательно всю описанную измерительную процедуру для каждого из образцов и определяют характеристики неоднородности ТКЛР путем сравнения результатов измерения, полученных для отдельных образцов. (A review of measurement systems for evaluating thermal expansion homogeneity of Corning Code 7971 ULE^TM/Proc. SPIE Vol.1533, 1991 pp.199-201.)

Главным недостатком этого способа является недостаточно высокая точность измерения. Основными составляющими погрешности являются погрешность определения изменения длины образца (удлинения), которая тем больше, чем больше оптическая разность хода интерферирующих пучков, и погрешность измерения температуры, вклад которой в суммарную погрешность измерения пропорционален изменению разности хода интерферирующих пучков. В указанном способе разность хода интерферирующих пучков определяется длиной образца, которая должна быть достаточно велика для обеспечения необходимой чувствительности контроля.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, который, обладая высокой чувствительностью, повышал бы также точность измерения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в известном интерференционном способе определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, при котором из нескольких различных участков исследуемой заготовки изготавливают образцы, каждый из которых имеет два опорных торца, помещают в термостат образец и два отражательных элемента (верхний и нижний) так, чтобы отражающие поверхности этих элементов образовали интерферометр типа Физо, а отражающая поверхность верхнего отражательного элемента опиралась на верхний опорный торец образца, освещают эти элементы параллельным пучком когерентного монохроматического излучения, изменяют температуру в термостате, регистрируют картину интерференционных полос, одновременно производят измерение температуры в термостате, определяют изменение координат интерференционных полос в зависимости от изменения температуры, повторяют последовательно всю описанную процедуру для каждого из образцов и определяют характеристики неоднородности ТКЛР заготовки путем сравнения результатов измерения, полученных для отдельных образцов, согласно изобретению нижний отражательный элемент изготавливают непосредственно из исследуемой заготовки таким образом, чтобы он имел нижний опорный торец и верхнюю отражающую поверхность, а высоту чуть меньше высоты образца, при этом указанный отражательный элемент и образец устанавливают нижними опорными торцами на единую базовую плоскую поверхность.

Целесообразно ТКЛР нижнего отражательного элемента предварительно измерять одним из известных способов.

Целесообразно изготавливать несколько нижних отражательных элементов из нескольких различных участков исследуемой заготовки и всю измерительную процедуру повторять последовательно для каждого отражательного элемента, при этом ТКЛР образца предварительно измерять одним из известных способов.

Целесообразно нижний отражательный элемент и образец располагать коаксиально один внутри другого.

Изготовление нижнего отражательного элемента непосредственно из исследуемой заготовки таким образом, чтобы он имел нижний опорный торец и верхнюю отражающую поверхность, а высоту чуть меньше высоты образца, и установка указанного отражательного элемента и образца нижними опорными торцами на единую базовую плоскую поверхность позволяют, не снижая чувствительности контроля, повысить точность измерения за счет уменьшения погрешности измерения удлинения и снижения влияния погрешности измерения температуры.

Предварительное измерение ТКЛР нижнего отражательного элемента позволяет вносить поправку на разность длин образцов в результат измерений, что обеспечивает возможность расширить допуск на длину образца и повысить точность измерения.

Изготовление нескольких нижних отражательных элементов из нескольких различных участков исследуемой заготовки и повторение всей измерительной процедуры последовательно для каждого отражательного элемента, а также предварительное измерение при этом ТКЛР образца одним из известных способов позволяет упростить измерительную процедуру за счет сокращения числа необходимых дополнительных измерительных устройств.

Коаксиальное расположение нижнего отражательного элемента и образца один внутри другого позволяет уменьшить вероятность возникновения в измерительной системе несимметричных температурных градиентов, приводящих к снижению точности измерения.

Фиг.1 изображает схему используемого устройства (интерференционного дилатометра) и вариант расположения в нем нижнего отражательного элемента и образца согласно изобретению.

Фиг.2 изображает параллельное взаимное расположение нижнего отражательного элемента и образца.

Фиг.3 изображает возможный вариант коаксиального взаимного расположения нижнего отражательного элемента и образца.

Для осуществления предложенного способа используется известный интерференционный дилатометр (фиг.1), включающий термостат 1, устройство контроля и управления температурой 2, лазер 3, оптическую систему 4, нижний 5 и верхний 6 отражательные элементы и устройство регистрации интерференционной картины 7. На дне термостата установлена кварцевая пластина для размещения на ее базовой плоской поверхности 8 нижнего отражательного элемента 5 и образца 9. Вместо пластины базовой поверхностью может служить дно термостата, изготовленное с необходимой плоскостностью.

Основной вариант предложенного способа определения неоднородности (ТКЛР) оптической заготовки осуществляется следующим образом. Из нескольких различных участков исследуемой оптической заготовки изготавливают образцы, каждый из которых имеет два опорных торца (плоских или с тремя выступами). Непосредственно из исследуемой заготовки также изготавливают элемент, который служит нижним отражателем интерферометра типа Физо и имеет нижний опорный торец (плоский или с тремя выступами) и верхнюю отражающую поверхность. Участки заготовки, из которых изготавливают указанные детали, должны быть распределены как можно более равномерно по объему исследуемой заготовки и, как правило, располагаются в пределах размерных припусков заготовки; так, в частности, для изготовления этих деталей могут быть использованы куски материала, остающиеся при высверливании отверстий облегчения в крупногабаритных астрозеркалах. Затем упомянутый нижний отражательный элемент, а также верхний отражательный элемент интерферометра Физо и один из образцов помещают в термостат, располагая их на единой полированной плоской базовой поверхности так, как это показано на Фиг.2. Нижний отражательный элемент 5 устанавливают нижним опорным торцом на полированной плоской базовой поверхности 8. Вблизи этого элемента на эту же поверхность (также нижним опорным торцом) устанавливают образец 9. На верхний опорный торец образца устанавливают верхний отражательный элемент 6. Взаимное расположение элементов таково, что нижняя (отражающая) поверхность верхнего отражательного элемента, опирающаяся на верхний опорный торец образца 9, и верхняя (отражающая) поверхность нижнего отражательного элемента образуют интерферометр типа Физо, то есть отражающие поверхности плоские и зазор между ними клиновидный. Высота нижнего отражательного элемента выполнена чуть ниже высоты опорного элемента, при этом минимальный зазор между ними должен быть больше максимально возможной разности удлинений нижнего отражательного и опорного элементов. Для обеспечения клиновидности зазора достаточно, чтобы один из элементов 5 или 6 был выполнен клиновидным, а другой - плоскопараллельным. Отражающие поверхности освещают параллельным пучком когерентного монохроматического излучения и получают картину интерференционных полос равной толщины. Обыкновенно клин между отражателями в интерферометре типа Физо делают таким, чтобы в пределах поля интерференции наблюдалось 5-10 интерференционных полос. Полученную интерференционную картину регистрируют одним из известных способов и определяют координаты интерференционных полос (например, способом визуального наблюдения, кино- или фоторегистрации, либо телевизионной регистрации с последующей оцифровкой и передачей цифрового видеоизображения в компьютер). Чтобы определить искомые характеристики температурного расширения, температуру в термостате изменяют в заданном диапазоне и производят одновременное измерение температуры в термостате и определение изменения координат интерференционных полос в зависимости от температуры. Такие измерения выполняют последовательно для каждого из образцов. Измеренное изменение координат интерференционных полос ΔN, выраженное в долях инетерференционной полосы, в интервале температур ΔT равно:

где λ - длина волны используемого излучения;

l - длина образца;

Δα=α-α₀ - разность ТКЛР α образца 3 и ТКЛР α₀ нижнего отражательного элемента 1;

Δl - разность длин образца 3 и отражательного элемента 1.

Если, например, все образцы имеют одинаковую длину l, то оценка неоднородности ТКЛР, характеризуемая разностью ТКЛР в различных участках исследуемой заготовки, определяется как:

где δ(α) - разность ТКЛР двух различных участков исследуемой заготовки;

δ(ΔN) - разность изменений координат интерференционных полос, полученных для двух соответствующих образцов в диапазоне температур ΔT;

l - длина образца.

По данным измерений могут быть вычислены основные величины, являющиеся показателями неоднородности, как-то: максимальная разность ТКЛР в пределах заготовки, максимальное отклонение ТКЛР от среднего по заготовке, среднее квадратическое отклонение ТКЛР и т.п.

Технический эффект изобретения состоит в следующем. В способе определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, выбранном в качестве прототипа, погрешность измерения разности ТКЛР в двух точках заготовки определяется погрешностью измерения ТКЛР одиночного образца. В предложенном способе разность ТКЛР в двух различных участках заготовки определяется по результатам сравнения разностей удлинений образцов и нижнего отражательного элемента. Поскольку максимальная разность ТКЛР в пределах заготовки, как правило, составляет величину, на порядок меньшую, чем среднее значение ТКЛР заготовки, то в предложенном способе достигается существенное уменьшение влияния погрешности измерения температуры по сравнению со способом-прототипом. Другое преимущество предложенного способа заключается в возможности существенно уменьшить зазор между пластинами интерферометра Физо, сократив тем самым разность оптических путей интерферирующих пучков лучей, не уменьшая при этом длины образца. Это позволяет, не снижая чувствительности контроля, существенно сократить влияние на точность измерений ряда факторов, приводящих к снижению точности измерений и увеличению погрешности удлинения. При интерференционных измерениях существенную роль играет погрешность, вызванная нестабильностью длины волны, источниками которой являются как нестабильность частоты излучения используемого источника излучения (лазера), так и изменения показателя преломления среды, в которой это излучение распространяется. Если измерения проводятся в воздушной среде или при неглубоком вакууме, то при изменении температуры внутри термостата будет изменяться показатель преломления воздуха. Это изменение чрезвычайно трудно учитывать, поскольку показатель преломления воздуха является функцией не только температуры, но также давления, влажности, процентного содержания различных газов и других примесей. Диапазон рассеивания отсчетов удлинения из-за нестабильности длины волны прямо пропорционален разности хода интерферирующих пучков лучей (расстоянию между зеркалами интерферометра Физо). В способе, выбранном в качестве прототипа, это расстояние определяется длиной образца, но уменьшение длины образца приводит к снижению чувствительности контроля, при этом возрастает влияние погрешности измерения удлинения на точность измерений. В предложенном способе могут обеспечиваться чрезвычайно малые значения величины разности хода интерферирующих пучков (до сотых долей миллиметра) независимо от длины образца (она лишь должна быть больше максимально возможной разницы удлинений нижнего отражательного элемента и образца), что позволяет существенно снизить влияние нестабильности длины волны. Кроме того, в интерферометре типа Физо возможные деформации световой волны осветительного пучка приводят к искривлению полос интерференционной картины, что отражается на точности измерения координат полос. Это искривление тоже пропорционально разности хода интерферирующих пучков лучей. Таким образом, уменьшая эту разность, уменьшают влияние возможного искривления полос, вызванного аберрациями и расфокусировкой оптической системы.

В предложенном способе ТКЛР нижнего отражательного элемента предварительно измеряют одним из известных способов. Это измерение может быть выполнено, например, при помощи кварцевого дилатометра.

Технический эффект изобретения состоит в следующем. Если образцы (в силу технологических ограничений) имеют различную длину, то разность ТКЛР двух различных участков исследуемой заготовки, которым соответствуют два образца с разностью длин δl, может быть выражена формулой:

где δ(α) - разность ТКЛР двух различных участков исследуемой заготовки;

δ(ΔN) - разность изменений координат интерференционных полос, полученных для двух соответствующих образцов в диапазоне температур ΔT;

λ - длина волны используемого излучения;

l - номинальная длина образца;

δl - разность длин образцов;

α₀ - ТКЛР нижнего отражательного элемента.

Если величина δl достаточно велика по сравнению с номинальной длиной образца l, то нужно учитывать ее вклад в соответствии с формулой (3), для чего необходимо знать значение α₀. Измерив предварительно α₀, возможно вносить соответствующую поправку в результат измерений, что обеспечивает возможность расширения допуска на длину образца.

Дополнительный технический эффект состоит в возможности определения абсолютного значения ТКЛР в каждой контролируемой точке заготовки.

Для внесения поправки можно, наоборот, предварительно измерять ТКЛР образца (при этом достаточно изготовить и проконтролировать только один образец), а для исследования разницы ТКЛР в различных участках заготовки необходимо изготовить для каждого из этих участков нижний отражательный элемент и последовательно выполнить процедуру измерения разности удлинений образца и нижнего отражательного элемента для каждого изготовленного отражательного элемента.

Технический эффект изобретения состоит в том, что для определения ТКЛР образца не требуется дополнительного устройства, поскольку его конфигурация позволяет определить ТКЛР интерференционным методом.

В предложенном способе образец 9 и нижний отражательный элемент 5 располагают коаксиально один внутри другого. При этом в одном из указанных элементов изготавливают сквозное центральное отверстие для расположения в нем другого элемента. Варианты такого расположения иллюстрируются на Фиг.3, где нижний отражательный элемент 5 расположен внутри образца 9 и на Фиг.1, где образец 9 расположен внутри отражательного элемента 5.

Технический эффект изобретения заключается в том, что коаксиальное взаимное расположение указанных элементов позволяет уменьшить вероятность возникновения в этих элементах несимметричных температурных градиентов, приводящих к неконтролируемому взаимному перекосу отражающих поверхностей интерферометра Физо, связанных с этими элементами, что вызывает неучитываемое изменение координат интерференционных полос, снижающее точность измерения.

Практическое использование способа подтвердило его надежность, оптимальность и высокую точность измерения.

1. Способ определения неоднородности температурного коэффициента линейного расширения оптической заготовки, при котором из нескольких различных участков исследуемой заготовки изготавливают образцы, каждый из которых имеет два опорных торца, помещают в термостат образец и два отражательных элемента (верхний и нижний) так, чтобы отражающие поверхности этих элементов образовали интерферометр типа Физо, а отражающая поверхность верхнего отражательного элемента опиралась на верхний опорный торец образца, освещают эти элементы параллельным пучком когерентного монохроматического излучения, изменяют температуру в термостате, регистрируют картину интерференционных полос, одновременно производят измерение температуры в термостате, определяют изменение координат интерференционных полос в зависимости от изменения температуры, повторяют последовательно всю описанную процедуру для каждого из образцов и определяют характеристики неоднородности температурного коэффициента линейного расширения заготовки путем сравнения результатов измерения, полученных для отдельных образцов, отличающийся тем, что нижний отражательный элемент изготавливают непосредственно из исследуемой заготовки таким образом, чтобы он имел нижний опорный торец и верхнюю отражающую поверхность, а высоту чуть меньше высоты образца, при этом указанный отражательный элемент и образец устанавливают нижними опорными торцами на единую базовую плоскую поверхность.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температурный коэффициент линейного расширения нижнего отражательного элемента предварительно измеряют одним из известных способов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготавливают несколько нижних отражательных элементов из нескольких различных участков исследуемой заготовки и всю измерительную процедуру повторяют последовательно для каждого отражательного элемента, при этом температурный коэффициент линейного расширения образца предварительно измеряют одним из известных способов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что нижний отражательный элемент и образец располагают коаксиально один внутри другого.