ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСТОТЫ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРА ЛИННИКА МИИ-4

Свет, с точки зрения классической электродинамики, представляет собой поперечные электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с одинаковой скоростью . Монохроматические волны различных частот воспринимаются человеческим глазом как различные цветовые ощущения. Скорость распространения света зависит от оптических свойств среды:

где; V- скорость распространения света в данной среде;

n – абсолютный показатель преломления среды.

Длина волны монохроматического света связана с частотой v зависимостью:

Два источника света, излучающих волны одинаковой частоты и с постоянной разностью фаз, называются когерентными.

Волны, излучаемые такими источниками, также являются когерентными. В результате наложения когерентных волн наблюдается явление интерференции. Оно заключается в том, что в одних местах происходит усиление световой интенсивности, в других ослабление.

Для получения интерференционной картины необходимо излучение от одного источника разделить на два пучка и заставить их встретится после прохождения различных путей. В случае такого разделения эти пучки можно считать как бы исходящими из двух совершенно одинаковых источников.

Все элементарные акты излучения, происходящие в одном источнике, одновременно повторяются в другом, но доходят до данной точки экрана с некоторым запозданием, определяемым разностью хода.

Максимальная освещенность соответствует разности хода, равной четному числу полуволн или целому числу длин волн.

Минимальная освещенность соответствует разности хода, равной не­четному числу полуволн.

Величина k определяет порядок максимума или минимума. Отметим, что при интерференции усиление освещенности в одних местах происходит за счет ослабления в других местах согласно закону сохранения энер­гии.

Для изучения чистоты обрабатываемой поверхности и измерения глубины неровностей академиком В. П. Линником был предложен микроинтерферометр, оптическая схема которого изображена на рис.1.

Действие прибора основано на явлении интерференции. На практике для получения двух систем волн, способных интерферировать, пользуются разделением пучка лучей, исходящих из одной точки источника света (S), на два пучка.

В микроинтерферометре в качестве разделяющей системы используется наклонная плоскопараллельная пластинка Р (рис.1), имеющая полупроз­рачное светоделительное покрытие. Половину падающего света пластинка отражает, половину пропускает, вследствие чего образуются две системы волн, способных интерферировать.

В результате сложения (интерференции) пучков в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы.

Разность хода между интерферирующими лучами от центра поля к кра­ям увеличивается и проходит все значения:

где - длина волны света.

В точках поля, где разность хода равна: λ, 2λ, 3λ и т. д., в ре­зультате сложения пучков получаются светлые полосы, а в точках, где разность хода равна: и т.д. – темные полосы.

При вынутом окуляре в плоскости зрачков выхода микроинтерферометра наблюдается два изображения источника света. Форма интерференционных полос, направление их и интервал между полосами зависит от положения выходных зрачков микроинтерферометра друг относительно друга.

При изменении взаимного расположения зрачков и расстояния между ними соответственно изменяется интервал между интерференционными поло-сами и направление полос. Интервал между полосами определяется по формуле:

,

где ω - угловое расстояние между двумя изображениями источника света при рассматривании их из данной точки поля интерференции.

Из формулы ясно, что интервал между полосами обратно пропорционален расстояниям между изображениями источника света. Конструкция интерферометра предусматривает возможность изменения расстояния и взаимного расположения между изображениями источника света (рис.1.).

Для осуществления этой возможности объектив О₁ смещается с оси. При смещении объектива с оптической оси (например, на величину L) из­меняется расстояние между зрачками выхода (T₁ -T₂ = 2L), в которые про­ектируется изображение источника света, а следовательно, изменяется и интервал между полосами.

Если объектив О₁, смещенный с оси, поворачивать вокруг этой оси, то один из зрачков будет описывать окружность вокруг другого; в этом случае полосы в поле зрения будут поворачиваться. В отъюстированном приборе при работе с монохроматическом светом в поле зрения должны быть чередующиеся черные и светлые полосы. Два интерференционных фильтра, с помощью которых получается монохроматический свет, пропус­кают соответственно желтые и зеленые части спектра. Без фильтра наблю­дается интерференционная картина в белом свете. Как видно из приведен­ной формулы, интервал между полосами ∆ зависит от длины волны; каждой длине волны соответствует определенный интервал. Поэтому в белом свете полосы для равных длин волны не совпадают друг с другом, за исключени­ем нулевой полосы, определяющей ось симметрии интерференционной карти­ны. Таким образом, интерференционная картина в белом свете имеет сле­дующий вид: в центре наблюдается белая ахроматическая полоса, по обеим сторонам которой расположены две черные полосы с цветными каймами, и дальше по 3 - 4 цветные полосы с каждой стороны. Переход от одной светлой (или темной) полосы к другой светлой (или темной) полосе соот­ветствует изменению разности хода между интерферирующими лучами на од­ну длину волны. Перемещение испытуемой поверхности (П) (рис.1) вверх или вниз на какую-либо малую величину вызывает изменение хода луча на удвоенную величину перемещения, так как свет проходит это расстояние дважды.

Изменение хода луча в одной ветви прибора вызовет изменение разности хода между интерферирующими лучами, в результате чего полосы в поле зрения сместятся. При смещении испытуемой поверхности на половину длины световой волны λ/2 полосы в поле зрения сместятся на один интервал между полосами.

Если на испытуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте меняется разность хода и, следовательно, полосы сме­щаются. С помощью прибора МИИ - 4 можно достаточно точно измерить изгиб в 0,1 интервал между полосами, что соответствует неровности, рав­ной:

При λ= 530 нм наименьшая неровность, которую можно из­мерить на приборе, составляет 0,05·530 нм = 2,65 нм. При изме­рении высоты неровностей на цилиндрических деталях в поле зрения наб­людается две системы интерференционных полос, расположенных симметрич­но относительно образующей цилиндра. При установке сферических объек­тов в поле зрения наблюдаются кольца.

Из рис.1 видно, что пучок лучей света 1 падает на полупрозрачную пластинку Р, разделяется ею на два, один из которых 2 падает на исс­ледуемую поверхность П, второй 3 на гладкое эталонное зеркало 3₁. После отражения эти лучи вновь соединяются на пластинке Р и выходят из ин­терферометра вниз (луч- 4). Отражаясь от зеркала 3₂, лучи образуют ин­терференционную картину, которая рассматривается в окуляре ОК.

Микроинтерферометр МИИ - 4 имеет круглое основание 18, на котором может быть установлена фотокамера или рамка с матовым стеклом 24 (рис.2).

К верхнему торцу основания привинчена полая колонка 19, несущая предметный столик 20, который при помощи двух микрометронных винтов 21 может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Пере­мещение столика отсчитывается по барабанам винтов, ценз деления кото­рых 0,005 мм. Кроме того, столик может поворачиваться вокруг верти­кальной оси и стопориться винтом 22.

В колонке под углом 70° к вертикальной оси расположен наблюда­тельный тубус, в отверстие которого устанавливается окуляр со шкалой и сеткой (или винтовой окулярный микрометр), на тубусе имеется кольцо 31, вращением которого можно выводить или вводить в оптическую систему отражательное зеркало З₂ (рис. 1).

При визуальном наблюдении или измерении зеркало (З₂) должно быть выведено, а при фотографировании введено. Вращением винта 28 осущест­вляется микрометренная фокусировка микроскопа на объект. Величина вер­тикального перемещения интерференционной головки может быть отсчитана по барабану микрометренного винта, цена деления которого равна 0,003 мм.

Ответственной частью прибора является интерференционная головка, укрепленная на внутреннем стакане микроскопа. Интерференционная голов­ка состоит из трех частей:

а) Левой части, включающей в себя фонарь 33 с винтами 30 (для центровки лампы) и трубку, во внутрь которой вмонтирована осветитель­ная часть системы. В трубке установлена горизонтально выдвигающаяся пластинка 31 с тремя отверстиями. В двух крайних отверстиях поставле­ны светофильтры разных характеристик для получения монохроматического света (зеленый или желтый); среднее (свободное), отверстие используется при работе в обычном белом свете. Далее имеется кольцо 25 с накаткой, вращением которого производится изменение диаметра открытия апертурной диафрагмы.

б) Средней части, в которую постоянно ввинчен объектив. Внутри корпуса средней части установлена разделительная пластинка Р (рис. 1). Кроме того, в средней части головки расположена рукоятка 23, при помо­щи которой в ход лучей включается шторка. При включении шторки лучи не падают на объектив; в этом случае микроинтерферометр превращается в металлографический микроскоп. На торце рукоятки 23 нанесена стрелка, ориентирующая положение шторки.

в) Правой части, которая содержит в себе второй объектив и эта­лонное зеркало 3, (рис.1).Правая часть имеет устройство для изменения ширины и направления интерференционных полос. Ширина полос изменяется при помощи вращения вокруг своей оси винта 35. Изменение направления полос производится этим же винтом 35, путем вращения его вокруг всей интерференционной головки. Винт 26 служит для смещения интерференцион­ных полос в поле зрения микроскопа.