Оптические системы двухлучевых интерферометров. Часть 5

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

 
 
Д. Т. Пуряев, Н. Л. Лазарева, О. В. Рожков  
 
 
 

Оптические системы 
двухлучевых интерферометров 

Учебное пособие 

В пяти частях  

Часть 5 
 
 
Под редакцией Д. Т. Пуряева 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 531.715(075.8) 
ББК 22.343.4 
П88 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book208.html 
 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты:  
д-р техн. наук, профессор Е. Ф. Ищенко,  
канд. физ.-мат. наук, доцент Д. В. Креопалов 

 
Пуряев, Д. Т. 
  
 
Оптические системы двухлучевых интерферометров : 
учебное пособие : в 5 ч. Ч. 5 / Д. Т. Пуряев, Н. Л. Лазарева, 
О. В. Рожков;  под ред. Д. Т. Пуряева. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 53, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3999-7 
 

Учебное пособие построено на базе материалов дисциплин «Оптические измерения», «Оптические измерительные и контрольно-юстиро- 
вочные приборы» и «Исследование и контроль оптических систем». В 
пятой части, которая является продолжением ранее изданных четырех 
частей учебного пособия с аналогичным названием, подробно рассмотрены вопросы, связанные с проектированием оптической системы двухлучевого интерферометра для контроля формы вогнутых и выпуклых 
сферических поверхностей большого диаметра. Приведены справочные 
данные, которые будут полезны студентам при выборе оптимального 
технического решения. Даны примеры конкретной реализации отдельных модулей оптической системы. Материалы, излагаемые в данном пособии, ранее в учебной литературе не освещались.   
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Оптотехника» и выполняющих курсовые и дипломные проекты. 

УДК 531.715(075.8) 
ББК 22.343.4 
 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3999-7 
 
 
       МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 

 П88 

ВВЕДЕНИЕ 

В ранее изданных четырех частях учебного пособия «Оптические системы двухлучевых интерферометров» [1−4] рассмотрены 
элементы теории двухлучевых интерферометров, способы и 
устройства для получения когерентных волновых фронтов, а также 
интерферометры различного назначения. Описаны оптические системы интерферометров для контроля плоских, сферических и 
асферических поверхностей (АП) среднего и большого диаметров.  
Пятая часть учебного пособия посвящена подробному рассмотрению вопросов, связанных с проектированием оптической 
системы двухлучевого интерферометра многоцелевого назначения, 
который предназначен для работы в составе интерферометрической информационно-измерительной системы (ИИС). В пособии 
содержатся справочные материалы, необходимые студентам при 
проектировании таких систем, а также рекомендации, полезные 
при выборе оптимального технического решения.  
При контроле формы оптических поверхностей необходимо 
выявить абсолютные величины и знаки отклонений множества точек испытуемой поверхности от их теоретического местоположения. На практике под термином «контроль» подразумевают исследование формы поверхности, которое в процессе изготовления 
поверхности осуществляется многократно. В настоящее время для 
контроля формы оптических поверхностей используют интерферометрические ИИС, которые позволяют получить измерительную 
информацию в реальном масштабе времени и представить ее в виде, наиболее удобном для восприятия человеком и дальнейшего 
использования. ИИС строят по модульному принципу. Модули 
могут быть механическими, электронными, оптическими, оптикомеханическими и оптико-электронными.  

Структурная схема интерферометрической ИИС, предназначенной для контроля погрешностей формы оптических поверхностей, представлена на рис. В1. Рассмотрим принцип работы ИИС.  
Объектом исследования является форма оптической поверхности. Важный элемент ИИС — измерительный преобразователь, 
который извлекает измерительную информацию из объекта исследования. Роль измерительного преобразователя в данном случае 
играет двухлучевой интерферометр, снабженный фотоэлектрическим координатным приемником излучения.  
Интерферометр формирует волновой фронт, форма которого 
аналогична теоретической форме контролируемой поверхности. 
По сути, этот волновой фронт является виртуальным пробным 
стеклом, которое накладывается на контролируемую оптическую 
поверхность. При взаимодействии с оптической поверхностью рабочий фронт искажается погрешностями ее формы. Этот волновой 
фронт принято называть рабочим. Далее искаженный рабочий 
волновой фронт направляется в двухлучевой интерферометр, где 
интерферирует с эталонным волновым фронтом, имеющим регулярную форму (например, плоскую или сферическую). Рабочая 
интерференционная картина содержит информацию о деформации рабочего фронта и, следовательно, о погрешностях формы 
контролируемой поверхности. Признак деформации рабочего 
волнового фронта — искривление полос на интерференционной 
картине. По абсолютной величине и характеру искривлений интерференционных полос опытный исследователь формирует в 
своем сознании образ исследуемой поверхности (ее концептуальную модель).  
Интерферометры старого поколения представляли собой измерительные приборы, в которых проблема извлечения информации о погрешностях формы контролируемой поверхности из 
интерференционной картины решалась исследователем без применения технических средств. Оптическая система современного 
интерферометра построена таким образом, что рабочая интерференционная картина проецируется на чувствительную площадку 
фотоэлектрического координатного приемника излучения. Приемник излучения преобразует оптические сигналы (освещенность 
точек интерференционной картины) в электрические, которые могут подвергаться автоматизированной обработке. 

 
 
 

 
 
 
Рис. В1. Структурная схема интерферометрической информационно-измерительной системы  
 

Объект 
исследования 
 
(оптическая 
поверхность) 

Устройство  
преобразования  
сигналов  
в цифровой код  

Измерительный
преобразователь 
 
(двухлучевой  
интерферометр) 

Система
обработки 
и хранения 
измерительной 
информации 

Идеальный
волновой 
фронт 

Деформированный 
волновой фронт

Устройства 
внешних  
воздействий 
на объект  
исследования 

Устройства 
отображения  
и  
документирования 
измерительной 
информации 

Пульт 
управления 

Человек- 
исследователь 

Зависимость электрических сигналов от координат точек на 
интерференционной картине носит аналоговый характер. Для последующей автоматизированной обработки эти сигналы необходимо преобразовать в цифровой код. Эту задачу в ИИС решает 
аналого-цифровой преобразователь (АЦП), после которого цифровая информация передается в систему хранения и обработки данных — компьютер, снабженный пакетом необходимых программ. 
Программы построены таким образом, чтобы полученная от исследуемого объекта измерительная информация была представлена в формах, пригодных для ее последующего использования.  
Наиболее распространены следующие формы представления 
информации об исследуемой поверхности (рис. В2):  
• изображение интерференционной картины (рис. В2, а);  
• объемное изображение контролируемой поверхности в гипертрофированной форме (рис. В2, б); 
• карта отклонений точек поверхности от их теоретического 
местоположения (рис. В2, в).  
Эту информацию отображают на экранах мониторов и документируют с помощью печатающих устройств. 
Чтобы сведения о форме контролируемой поверхности были 
объективными, в состав интерферометрических ИИС обычно 
включают устройства внешних воздействий. Например, это могут 
быть устройства термоизоляции пространства, где расположен исследуемый объект. Кроме того, при контроле поверхностей крупногабаритных оптических деталей необходимо исключить их весовые деформации, поэтому для базирования таких оптических 
деталей применяют специальные разгрузочные устройства.  
Важным звеном интерферометрической ИИС, служащим для 
контроля погрешностей формы оптических поверхностей, является 
человек-исследователь, который оценивает полученную измерительную информацию, принимает решения и руководит работой 
всей системы с помощью пульта управления.  
Свойства и характеристики ИИС в целом зависят от свойств, 
характеристик и параметров ее отдельных модулей. Одной из основных задач, решаемых при проектировании ИИС, является расчет параметров и характеристик отдельных модулей, которые при 
их объединении смогут обеспечить правильное функционирование 
всей системы. 

а                                                                б 
 

 
 
в 
 
Рис. В2. Формы представления информации об исследуемой поверхности: 
а — интерференционная картина; б — объемное изображение топографии 
исследуемой поверхности;  в — карта отклонений точек исследуемой поверхности от их теоретического местоположения 

Рис. В3. Внешний вид интерферометрической информационно-измери- 
тельной системы Mark IV 
 
В качестве примера на рис. В3 дана фотография интерферометрической ИИС Mark IV.  

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 

Любое устройство или систему проектируют по техническому 
заданию, которое включает данные об основных характеристиках, 
назначении и условиях эксплуатации. Проектирование нового 
устройства или системы начинают с анализа известных схем с целью выявления их достоинств и недостатков применительно к решению поставленной задачи. На базе анализа разрабатывают оптимальный 
вариант 
схемы 
нового 
устройства 
или 
системы. 
Проектирование предпочтительно начинать с построения структурной схемы, на которой функциональные части показаны в виде 
условных графических изображений, например прямоугольников. 
Связи между элементами структурной схемы изображают в виде 
стрелок, которые определяют ход рабочего процесса. При проектировании сложных систем можно разрабатывать структурную схему 
всей системы и ее отдельных модулей.  
На основе структурных схем разрабатывают функциональные 
схемы, которые более подробно раскрывают назначение и работу 
всего устройства или системы, а также ее отдельных модулей. На 
функциональных схемах оптических модулей принято показывать 
ход лучей между элементами, причем сами оптические элементы 
можно изображать условно. 
Данное учебное пособие посвящено рассмотрению всех аспектов, связанных с проектированием двухлучевого интеферометра, 
который выполняет функцию измерительного преобразователя в 
составе ИИС, предназначенной для высокоточного контроля формы вогнутых и выпуклых сферических поверхностей большого 
диаметра. Здесь подробно представлены обоснование построения 
оптимального варианта оптической системы интерферометра, расчеты оригинальных оптических элементов и выбор готовых (покупных) комплектующих изделий.  

Структура и примерное содержание технического задания на 
проектирование интерферометра указанного назначения представлены ниже. 

1. Интерферометр предназначен для контроля формы полированных вогнутых и выпуклых сферических поверхностей 
оптических деталей и должен иметь модульную конструкцию. 

2. Условия эксплуатации: 
• габариты помещения: 
– длина 10 м,  
– ширина 5 м,  
– высота 3,5 м; 
• пол помещения виброизолирован; 
• основной температурный режим в помещении t =  
= 20 ± 2 °C;  
• допустимое изменение температуры:  
− во времени Δt  = 0,2 °C/ч,  
− в пространстве Δt = 0,3 °C/м. 

3. Источник излучения — лазер, излучающий на длине 
волны λ = 0,6328 мкм. 

4. Приемник излучения — фотоэлектрический координатный. 

5. На чувствительную площадку приемника излучения 
необходимо проецировать:  
• в процессе предварительной юстировки интерферометра — 
автоколлимационные изображения точечного источника;  
• при выполнении измерений — рабочую интерференционную картину.  
Наблюдение изображений автоколлимационных точек и 
интерференционной картины осуществляется на экране монитора. 

6. Оптическая ось измерительной ветви интерферометра 
должна располагаться горизонтально. Крупногабаритные оптические элементы интерферометра и контролируемые детали 
должны базироваться в устройствах, исключающих их весовые деформации.