Оптико-электронные приборы: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к проведению практических занятий

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности

Оптико-электронные приборы Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задание на контрольную работу

Факультет технологии и автоматизации управления в машиностроении Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 200101 – приборостроение Специализации: 20010105 – контрольно-измерительные приборы и системы 20010120 – приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля 20010126 – приборы и системы обеспечения безопасности

Санкт – Петербург 2006

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681.23:681.787.7 Оптико-электронные приборы: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к проведению практических занятий. – СПб. Изд-во СЗТУ, 2006. – с.

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 200101 – «Приборостроение» (специальность 200101 – «Приборостроение», специализация 20010105 – «Контрольно-измерительные приборы и системы», 20010120 – «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля», 20010126 – «Приборы и системы обеспечения безопасности»). Сборник содержит рабочую программу, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задание на контрольную работу и методический материал по проведению практических занятий.

Рецензенты: А.Д. Яськов, доктор техн. наук, проф. кафедры Твердотельная оптоэлектроника Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. В.Д. Клопов, канд. техн. наук, доц. кафедры Приборов контроля и систем экологической безопасности Санкт-Петербургского северо-западного государственного заочного технического университета.

Составитель: Е.Е. Майоров, канд. техн. наук, доцент.

©Северо-западный государственный заочный технический университет, 2006

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Целью дисциплины «Оптико-электронных приборов» является изучение оптических методов и приборов, которые дают минимальную погрешность, большой диапазон измерений при контроле различных объектов, а значит достоверную информацию. Знание основных методов измерения и умение обращаться

с

оптическими приборами позволяет наиболее рационально провести контроль и испытания отдельных элементов и оптических систем в целом. Для оптимизации оптических измерений необходимо знание техники контроля, умение применить необходимый метод и прибор, а также оценить точность полученных результатов измерений. Задачей дисциплины «Оптико-электронных приборов» является выбор метода и прибора в зависимости от допустимых условий проведения измерений и заданных точностей, от возможности использования тех или иных измерительных технологий для исследования конкретного типа оптического материала и формы контролируемого объекта. Изучение теории по интегральной оптики, принципов построения и проектирования оптикоэлектронных приборов и систем; привитие навыков экспериментирования в области измерения оптических величин.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем часов – 80 часов) 1.1.1. Введение Назначение дисциплины. Значение оптико-электронных приборов (ОЭП) для автоматизации измерений и контроля в машиностроении. Общие вопросы применения ОЭП в таможенном деле, обеспечении безопасности. Основные характеристики приборов, их описание, методы для контроля различных

форм

объектов.

Перспективы

развития

ОЭП,

их

конкурентоспособность. 1.1.2. Физические величины и контролируемые параметры Физическая величина. Контролируемый параметр. Оптические входные

характеристики.

Выходной

сигнал.

Методы

преобразования

физических величин. Измерение параметров контролируемых объектов. 1.1.3. Методы и средства измерения толщин Для определения толщины линз или каких-либо оптически мутных сред

(пленки,

пластмассовые

пластины),

применяются

толщемеры:

механические, пневматические и оптические. К механическим приборам для измерения толщины детали относятся: простой толщемер, индикаторы, вертикальный длинномер, микрометры, микролюксы, оптиметры и др.[1,3]. 1.1.3.1. Вертикальный оптиметр Оптиметр служит для высокоточных относительных линейных измерений контактным методом с использованием плоскопараллельных концевых мер длины. Разницу между установочным и измеренным размерами отсчитывают по окулярной шкале трубки. Основные характеристики: Наибольший предел измерений, мм

180

Пределы измерений по шкале окуляра, мм

± 0,1

Цена деления окуляра, мм

0,001

Измерительное усилие, Н

не более 2

Основная измерительная часть оптиметра. Оптико-кинематическая схема трубки оптиметра. Способы сборки и юстировки трубки оптиметра. 1.1.3.2. Вертикальный оптический длинномер Вертикальный оптический длинномер типа ИЗВ-1 предназначен для измерения изделий размерами до 100мм абсолютным методом и изделий размерами до 250мм сравнительным методом при помощи плоскопараллельных мер. Оптико-кинематическая схема прибора. Принцип действия прибора. Оптическая схема отсчетного микроскопа. Предельная погрешность при измерения длины. 1.1.3.3. Бесконтактный оптический микрометр Оптический микрометр предназначен для бесконтактного измерения толщины, осуществляемого при помощи двух двойных микроскопов Линника. Оптическая

схема

микроинтерферометра

Линника

с

двумя

объективами. Оптическая схема микрометра. Расчетные формулы для погрешности измерений разности толщин. 1.1.3.4. Интерференционный метод измерения толщин прозрачных пластин Расчетные составляющих.

формулы

для

Принципиальная

толщины схема

прозрачных

установки

оптических

основанная

на

интерферометре Майкельсона. Описание световых пучков в плоскости регистрации. 1.1.4. Методы и средства контроля показателя преломления оптических сред Измерение

показателя

преломления

оптических

сред,

углов

оптических клиньев, толщины пластин и тонких пленок осуществляется в настоящее время с помощью широкого набора различных методов и приборов [2,4,5,6]. Схема классификации методов измерения показателя преломления.

1.1.4.1. Метод наименьшего отклонения Параметры двухгранной призмы. Формула расчета показателя преломления. Схема измерения показателя преломления на гониометре. 1.1.4.2. Автоколлимационный метод Параметры призмы. Формула расчета показателя преломления. Схема измерения показателя преломления на гониометре. 1.1.4.3. Рефрактометрические методы Точность данного метода [7,8]. Сущность метода и формула расчета показателя преломления. Схема: ход лучей при рефрактометрическом методе. Преимущества и недостатки. 1.1.4.4. Теневые методы Принципиальная схема теневого прибора. Сущность метода. Преимущества и недостатки [9]. 1.1.4.5. Иммерсионный метод Принципиальная схема теневого прибора. Сущность метода. Преимущества и недостатки [9]. 1.1.4.6. Абсолютный метод определения показателя преломления по плотности исследуемого материала Сущность метода. Преимущества и недостатки [10]. Расчетная формула показателя преломления. 1.1.5. Интерференционные методы Сущность интерференционных методов состоит в получении интерференционной картины лучей, один из которых проходит через исследуемое вещество. Для интерференции двух световых колебаний необходимо наличие постоянной разности фаз этих колебаний в течение времени [1,2]. Классификация интерференционных методов измерения показателя преломления по способу получения интерферирующих световых лучей.

1.1.5.1. Метод Захарьевского Параметры

образцов.

Точность

(погрешность)

метода.

Принципиальная схема установки для измерения показателя преломления методом Захарьевского. Преимущества и недостатки. 1.1.5.2. Компенсационный метод Рыскина Описание метода [3]. Схема компенсатора в методе Рыскина. Расчетная формула. Погрешность измерений. 1.1.5.3. Поляризационно-интерференционные методы Сущность метода [4,5]. Принципиальная схема интерференционнополяризационного

рефрактометра.

Расчетные

формулы.

Погрешность

измерений. 1.1.5.4. Метод ГОИ с использованием полос Тальбота Описание метода. Расчетные формулы.

Оценка погрешности

измерений. Преимущества и недостатки. 1.1.5.5. Спектральный метод Описание метода [1]. Расчетные формулы.

Оценка погрешности

измерений. Преимущества и недостатки. 1.1.6. Методы исследования неоднородностей Одной из важных задач промышленности в целом является контроль материалов как в машиностроении, так и в оптическом производстве. Поэтому данные методы призваны определять уровень неоднородности в испытуемых образцах [2,3,6,79]. 1.1.6.1. Геометрический метод измерения градиента показателя преломления по отклонению луча в плоскопараллельных образцах Описание метода [6]. Расчетные формулы. измерений. Преимущества и недостатки.

Оценка погрешности

1.1.6.2. Геометрический метод измерения градиента показателя преломления призм Описание метода [8]. Расчетные формулы.

Оценка погрешности

измерений. Преимущества и недостатки. 1.1.6.3. Метод преломленного ближнего поля Описание метода [9]. Расчетные формулы.

Оценка погрешности

измерений. Преимущества и недостатки. 1.1.6.4. Интерференционный метод Обреимова Описание метода [2]. Расчетные формулы.

Оценка погрешности

измерений. Преимущества и недостатки. 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (10ЧАСОВ) 1. Введение. Физические величины и контролируемые параметры. Методы и средства измерения толщин

4 часа

2. Методы и средства контроля показателя преломления оптических сред. Интерференционные методы

4 >>

3. Методы исследования неоднородностей

2 >>

1.3. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4ЧАСА) Принцип работы оптических схем приборов. Расчет и оценка погрешности измерений оптическими методами. 1.4. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (4ЧАСА) 1. Исследование выходного интерференционного сигнала

2 часа

2. Измерение показателя преломления оптических сред

2 >>

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1.

Поляков

В.Е.,

Потапов

А.И.

Первичные

пьезоэлектрические

преобразователи. – СПб.: СЗТУ, 1993. 2.

Федотов

А.И.

Измерительные

устройства

систем

управления

технологическим оборудованием. – Л.: СЗПИ, 1974. 3. Апарин Г.А., Городецкий И.Е. Допуски и технические измерения. – М., ГНТИ, 1950. 4. Афанасьев В.А. Оптические измерения. – М.: «Недра», 1968. 5. Скоков И.В. Оптические интерферометры. – М.: Машиностроение, 1969. 6. Артемьев И.В., Духопел И.И. Оптические приборы. Каталог. Т.2. Оптические измерительные приборы. – М.: Машиностроение, 1966. 7. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. – Л.: Химия 1983. 8. Морозов В.Н. Рефрактометрия в Государственном Оптическом Институте. – Оптический Журнал. 1993 - №12. – С.26-30. 9. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. – М.: Машиностроение, 1987. 10. Мейльман М.Л., Коломийцев А.И. Авторское свидетельство СССР №1097921. Способ измерения показателя преломления. – Б.И., 1984, №22. Дополнительный: 1. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. – Л.: Машиностроение, 1985. 2. Москалев В.А., Смиорнова Л.А. Интерференционные методы измерения показателя преломления. – ОМП, 1987, №8, С. 6-8. 3. Рыскин Я.И. Новый компенсационный рефрактометр. – ЖТФ, 1955, Т25, вып.5. 4. Лебедев А.А. Поляризационный интерферометр и его применение. – Труды ГОИ, 1931, Т5, вып.53. 5. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. – Л.: Машиностроение, 1976.

6. Ильин В.Г., Карапетян Г.О., Прокофьев А.Е., Ремизов Н.В., Садиков С.Н., Тухватулин А.Ш. Измерение аксиального распределения показателя преломления в заготовках дляэлементов градиентной оптики. – ОМП, 1989, №5, С. 13-16. 7. Goring R., Rothhardt M. Journ of Optical Communications, 1986,V.7, p.82-85.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ» В процессе изучения дисциплины «Оптико-электронные приборы» студент выполняет контрольную работу, состоящую из четырех задач, а также двух лабораторных работ. По окончании изучения дисциплины студент сдает зачет по материалам лабораторных работ и зачет по теоретической части курса. 3.1. ВВЕДЕНИЕ [1], с. 3…21 или [3], [7] В

настоящее

время

развитие

оптико-электронных

приборов

актуально, в связи с широким применением как в научных исследованиях, так и в системах автоматизированного управления. Высокая точность контроля, достаточно большой диапазон измерения этих приборов позволяет занимать лидирующие позиции в России и зарубежом. Студенту необходимо изучить классификацию методов и приборов контроля, технические характеристики, провести оценку погрешности измерений. Разобраться с оптическими схемами приборов, усвоить понятие «частично когерентные системы». Следует также ознакомится с вкладом российских ученых в развитие современной теории оптико-электронных приборов.

Вопросы для самопроверки 1. Что подразумевается под понятием «частично когерентные системы»? 2.

Какие

оптико-электронные

приборы

получили

распространение в измерительной технике? 3. В чем проявляется бурный рост оптико-электронные приборы?

наибольшее

3.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ [4], с. 15…33 или [2], [8] Этот раздел содержит в основном справочный материал. Студент должен

усвоить

такие

понятия,

как

«физическая

величина»,

«контролируемый параметр», «выходной интерференционный сигнал». Необходимо изучить механические, электрические, оптические величины и физические принципы их преобразования. Чтобы преобразовать величины в удобную для передачи форму необходимо изучить некоторые физические явления:

интерференция,

дифракция

света,

когерентность,

монохроматичность. Вопросы для самопроверки 1. Что такое «физическая величина» и «контролируемый параметр»? 2. Какие вы знаете методы, которые используют явление интерференция? 3. Как вы понимаете величину «выходной интерференционный сигнал»? 3.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛШИН [1], с. 23…59 или [3], [4] Для более глубокого усвоения данной темы студент должен изучить различные виды толщиметров: механические, пневматические и оптические. А также студент должен уметь провести расчет погрешности измерений. Вопросы для самопроверки 1. Начертите принципиальную схему механического толщиметра. 2. В чем отличие пневматического толщиметра от механического? 3. Каковы перспективы развития оптических толщиметров?

3.3.1. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОПТИМЕТР [3], с. 30…32 или [2], [5] Студенту необходимо изучить схему оптиметра, принцип действия, основные характеристики прибора. Необходимо знать какой объект контролируется. Вопросы для самопроверки 1. Для чего служит вертикальный оптиметр? 2. Начертите оптико-механическую схему прибора. 3. Какова погрешность данного толщиметра? 3.3.2. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЛИНОМЕР [7], с. 131…133 или [3], [8] Студенту необходимо изучить схему длиномера, принцип действия, основные характеристики прибора. Необходимо знать какой объект контролируется. Особое внимание уделить компонентам прибора. Вопросы для самопроверки 1. Предназначение вертикального оптического длинномера. 2. Из каких компонентов состоит прибор? 3. Какова погрешность данного длиномера? 3.3.3. БЕСКОНТАКТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОМЕТР [3], с. 51…53 или [2], [10] Студенту необходимо изучить оптическую схему микрометра, принцип действия, основные характеристики прибора. Необходимо знать какой объект контролируется. Уметь рассчитать погрешность измерений. Вопросы для самопроверки 1. Предназначение вертикального оптического микрометра. 2. Объяснить как работает микрометр. 3. Какова погрешность данного микрометра?

3.3.4. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИН ПРОЗРАЧНЫХ ПЛАСТИН [7], с. 251…253 или [5], [10] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода

измерения

толщин

прозрачных

пластин.

Уметь

рассчитать

погрешность измерений. Знать работу принципиальной схемы прибора. Вопросы для самопроверки 1. Начертить принципиальную схему прибора, уметь объяснить ее работу. 2. Каковы преимущества и недостатки данного метода? 3. Какова погрешность данного метода? 3.4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД [9], с. 44…98 или [2], [3] В этом разделе студенту необходимо изучить классификацию методов измерения показателя преломления. Уяснить для себя то, что методы измерения подразделяются на абсолютные и относительные. Знать, что оптические методы измерения показателя преломления делятся на интерференционные и неинтерференционные. Вопросы для самопроверки 1. В чем отличие абсолютных методов от относительных? 2. Какие вы знаете методы измерения показателя преломления? 3. Какие объекты измеряют данными методами?

3.4.1. МЕТОД НАИМЕНЬШЕГО ОТКЛОНЕНИЯ [7], с. 34…36 или [8], [10] При изучении этого раздела студенту необходимо обратить внимание на работу прибора, разобраться с принципиальной схемой прибора. Уметь

провести

оценку

погрешности

измерений,

знать

параметры

двухгранной призмы. Вопросы для самопроверки 1. Сущность метода наименьшего отклонения. 2. Рассчитать погрешность измерений данного метода. 3. Начертить оптическую схему прибора и объяснить его работу. 3.4.2. АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ МЕТОД [5], с. 14…16 или [4], [7] Студент должен изучить сущность метода, знать принципиальную схему прибора, уметь рассчитать погрешность по данному методу. Особое внимание необходимо уделить такому компоненту прибора, как призма. Вопросы для самопроверки 1. Сущность автоколлимационного метода. 2. Рассчитать погрешность измерений данного метода. 3. Начертить оптическую схему прибора и объяснить его работу. 3.4.3. РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ [3], с. 24…26 или [4], [7] В

этом

разделе

студент

должен

изучить

сущность

рефрактометрических методов, уметь рассчитать показатель преломления исследуемой среды. Для себя уяснить ход лучей при рефрактометрическом методе, а также достоинства и недостатки данного метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность рефрактометрических методов. 2. Рассчитать погрешность измерений данных методов. 3. Назвать достоинства и недостатки данных методов.

3.4.4. ТЕНЕВЫЕ МЕТОДЫ [8], с. 124…126 или [6], [10] В этом разделе студент должен изучить сущность метода, принципиальную схему прибора, знать погрешность измерений данного метода. Уметь объяснить достоинства и недостатки теневых методов.

Вопросы для самопроверки 1. Сущность теневых методов. 2. Начертить принципиальную схему прибора и объяснить ее. 3. Назвать достоинства и недостатки данных методов. 3.4.5. ИММЕРСИОННЫЙ МЕТОД [2], с. 52…54 или [8], [9] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода, знать погрешность измерений, оценить возможность его. Уметь объяснить достоинства и недостатки иммерсионного метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность иммерсионного метода. 2. Назвать достоинства и недостатки данных методов. 3.4.6. АБСОЛЮТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПО ПЛОТНОСТИ ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА [4], с. 38…40 или [6], [9] В этом разделе студент должен изучить сущность метода, уметь рассчитать погрешность измерений данного метода. Уметь объяснить достоинства и недостатки абсолютного метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность абсолютного метода. 2. Назвать достоинства и недостатки данных методов.

3.5. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ [10], с. 28…140 или [6], [9] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность интерференционных методов, проанализировать интерференцию в плоскопараллельной пластине. Знать классификацию данных методов измерений, преимущества и недостатки.

Вопросы для самопроверки 1.

Перечислите

интерференционные

методы

измерения

показателя

преломления. 2. В чем суть интерференционного метода? 3.5.1. МЕТОД ЗАХАРЬЕВСКОГО [10], с. 18…20 или [2], [9] Студент должен изучить сущность метода, принципиальную схему установки,

знать

погрешность

измерений

метода.

Уметь

объяснить

достоинства и недостатки метода Захарьевского. Вопросы для самопроверки 1. Начертить и объяснить принципиальную схему установки. 2. Какова погрешность измерений данного метода? 3. Достоинства и недостатки метода. 3.5.2. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД РЫСКИНА [10], с. 58…60 или [2], [5] Студент должен изучить сущность метода, принципиальную схему установки, знать погрешность измерений метода. Уметь рассчитать погрешность измерений по методу Рыскина. Вопросы для самопроверки 1. Начертить и объяснить принципиальную схему установки. 2. Какова погрешность измерений данного метода?

3.5.3. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ [9], с. 158…160 или [3], [5] Студент должен изучить сущность метода, принципиальную схему установки, знать погрешность измерений метода. Уметь рассчитать погрешность измерений поляризационно-интерференционным методом. Вопросы для самопроверки 1. Начертить и объяснить принципиальную схему установки. 2. Какова погрешность измерений данного метода? 3.5.4. МЕТОД ГОИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛОС ТАЛЬБОТА [8], с. 108…110 или [3], [5] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода, знать погрешность измерений, оценить возможность его. Уметь объяснить достоинства и недостатки метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность метода. 2. Какова погрешность измерений данного метода? 3.5.5. СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД [8], с. 108…110 или [3], [5] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода, знать погрешность измерений, оценить возможность его. Уметь объяснить достоинства и недостатки метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность метода. 2. Какова погрешность измерений данного метода?

3.6. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ [7], с. 10…12 или [8], [10] В этом разделе студент должен изучить методы неоднородностей, которые осуществляют контроль материалов как в машиностроении, так и в оптическом производстве. Поэтому данные методы призваны определять уровень неоднородности в испытуемых образцах. Вопросы для самопроверки 1. Сущность методов. 2. Какова погрешность измерений данных методов?

3.6.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПО ОТКЛОНЕНИЮ ЛУЧА В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ [9], с. 83…85 или [3], [7] Студент должен изучить сущность метода, принципиальную схему установки, знать погрешность измерений метода. Уметь рассчитать погрешность измерений по данному методу. Вопросы для самопроверки 1. Сущность данного метода. 2. Назвать достоинства и недостатки метода. 3.6.2. МЕТОД ПРЕЛОМЛЕННОГО БЛИЖНЕГО ПОЛЯ [9], с. 73…75 или [3], [7] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода, знать погрешность измерений, оценить возможность его. Уметь объяснить достоинства и недостатки метода.

Вопросы для самопроверки 1. Сущность данного метода. 2. Назвать достоинства и недостатки метода. 3.6.3. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ОБРЕИМОВА [7], с. 70…72 или [2], [4] При изучении этого раздела студент должен изучить сущность метода, знать погрешность измерений, оценить возможность его. Уметь объяснить достоинства и недостатки метода. Вопросы для самопроверки 1. Сущность данного метода. 2. Назвать достоинства и недостатки метода.

4. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Дисциплина «Оптико-электронные приборы» читается студентам специальности 200101 (приборостроение), специализациям: 20010105 ( контрольно-измерительные приборы и системы), 20010120 (приборы и системы таможенного, экспортного и импортного контроля), 20010126 ( приборы и системы обеспечения безопасности) на третьем, четвертом, пятом курсе и является дисциплиной специализаций. Таким образом, контрольная работа по данной дисциплине является завершающим этапом теоретической подготовки. В процессе изучения дисциплины «Оптико-электронные приборы» студенты должны выполнить контрольную работу, включающую четыре задания. При подготовке к выполнению контрольной работы необходимо познакомиться

с

соответствующими

методическими

указаниями

для

разделами

проведения

конспекта

лекций,

практических

занятий,

рекомендованной литературой. Контрольная работа выполняется в тетради, графическая часть – на листах миллиметровки. Выполненная контрольная работа сдается в университет на рецензирование

или

представляется

преподавателю,

прибювшему

на

учебную точку, для проверки. Вариант контрольной работы уточняется с преподавателем. Содержание контрольной работы Контрольная работа призвана дать глубокие знания в области оптико-электронных приборов, используя расчеты различных оптических величин, параметров оптических схем и тд. Работа состоит из двух заданий, каждое из которых включает по несколько задач.

ЗАДАНИЕ №1 Технологические лазеры и лазерное излучение Выбор лазера для проведения технологической операции определяется спецификой воздействия лазерного излучения на данный материал и особенностями

поставленной

технологической

задачи.

Основными

параметрами, характеризующими лазерное излучение, являются мощность лазера, длина волны излучения, длительность воздействия излучения, энергия и частота следования импульсов, когерентность излучения, направленность,

монохроматичность,

поляризация,

эксплуатационно–

технические характеристики. Большинство лазерных технологий основано на тепловом действии излучения и предполагают необходимость нагревания объекта воздействия до заданной температуры. Поэтому главной характеристикой лазера, используемого в таких технологиях, является его мощность. Для импульсных лазеров рассматривают мощность в импульсе и среднюю мощность, которая зависит от длительности и частоты следования импульсов. Температура

Т,

до

которой

нагревается

объект

воздействия,

определяется плотностью поглощенной мощности излучения q, которая зависит от мощности излучения P, ее распределения по облучаемой поверхности и поглощательной способности объекта A. В частности, при равномерном распределении плотности мощности в пределах облученной зоны: q0 = PA/S, где S — площадь облученной зоны на обрабатываемой поверхности. Нагревание

тела

излучением

описывается

дифференциальным

уравнением теплопроводности, которое при сильном поглощении излучения (когда глубина проникновения света δ в материал много меньше толщины прогретого слоя aτ ) имеет вид:

∂ 2T ∂ 2T ∂T ∂ 2T = a( + + ) ∂t ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2

(1.1)

где t — время, x, y, z — декартова система координат, связанная с облучаемым телом, а — температуропроводность материала. Глубина проникновения света в материал δ определяется показателем поглощения α : δ ~

1

α

. В частности, для металлов в оптическом диапазоне длин волн

излучения α ∼ 107–108 м–1. Граничное условие на поверхности задает действие поверхностного источника:

−k

∂T ∂z

= q ( x, y , t )

(1.2)

z =0

где q — поглощенная плотность мощности излучения, q = q0(1–R), q0 — плотность мощности падающего излучения, R — коэффициент отражения поверхности, k — теплопроводность материала, ось z перпендикулярна поверхности и направлена вглубь материала. Если размеры нагреваемого тела достаточно велики (l x , l y , l z >> aτ ) , а практически ≥ 1 мм для металлов при длительности воздействия τ = 10 −3 c, его можно считать полубесконечной средой:

T

x =∞

=T

где T н — начальная температура (T

y =∞

t =0

=T

z =∞

= TH ,

(1.3)

= TH ) .

Таким образом, из решения уравнения теплопроводности в каждом конкретном случае можно определить связь температуры облучаемого материала T(x, y, z, t) с плотностью мощности лазерного излучения q0, что

позволяет ввести понятие порогового значения плотности мощности излучения — такого, при котором температура поверхности тела в центре облученной области к моменту окончания воздействия излучения достигает заданного значения. При расчете пороговых значений плотности мощности излучения удобно использовать формулу, определяющую температуру на поверхности тела в центре облученной области в виде круга радиуса r0, полученную при решении системы уравнений (1.1, 1.2, 1.3) для случая постоянной во времени и по площади облученной зоны плотности мощности излучения q: T=

2q 0 (1 − R) aτ 1 r ( − ierfc 0 ) + TH’ k π 2 aτ

(1.4)

Выражение (1.4) имеет два частных случая:

а) при r0 >> aτ (нестационарный режим нагрева) T =

б) при r0 > w 2 0 λ , где

w0 — радиус выходного окна лазера). Расходимость излучения многомодовых лазеров ограничивается снизу величиной

дифракционной

расходимости

θ = 1.22

λ min 0

2w

,

где

w0min —

минимальный радиус области генерации на выходном окне лазера, зависящий

от

числа

поперечных

мод.

Число

поперечных

мод

определяетчисло зон на выходной апертуре лазера, в которых они сосредоточены;

соответственно

характерный

размер

этих

областей

уменьшается, что приводит к увеличению расходимости излучения. Поперечное распределение интенсивностей продольных мод на выходе резонатора одинаково и различается лишь частотами излучения. В реальных условиях величина расходимости излучения превышает дифракционный предел расходимости. Расходимость пучка излучения определяет возможности его фокусировки.Диаметр пучка в плоскости фокусировки составляет: d0 = θ ⋅ f ,

где f — фокусное расстояние оптической системы. Монохроматичность лазерного излучения характеризует свойство лазера излучать в узком диапазоне длин волн. Степень монохроматичности излучения зависит от свойств активной среды и характеристик резонатора: ее необходимо учитывать в технологических процессах, основанных на селективном воздействии (лазерная химия, медицина, биология, разделение

изотопов). В отдельных случаях лазерной обработки необходимо учитывать поляризацию излучения, в частности , в технологических процессах, при которых происходит многократное отражение излучения под углами, близкими к углу Брюстера (когда р–составляющая поляризованного излучения полностью отражается от поверхности). Примером такого технологического процесса является резка металлических материалов большой толщины. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 1.1 Определить мощность и энергию импульсов излучения N2–лазера при длительности τ = 10 −8 c, необходимую для достижения плотности мощности излучения при его фокусировке q0 = 10 7 Вт/см2, если расходимость пучка 0.3 мрад, а фокусное расстояние оптической системы 3 см. Решение Мощность импульсов лазерного излучения определяется выражением: P = q0 S ,

где S =

πd 02

4 — площадь пятна.

Определим, чему равен диаметр пятна в фокусе, по следующей формуле: d0 = θ ⋅ f

Получим: d 0 = 9 мкм.

Вычислим мощность импульсов излучения:

P = q0 ⋅

πd 02

4

= 0.64 Вт,

а энергия импульсов излучения равна E = P ⋅ τ = 0.64 ⋅ 10 −8 Дж.

ЗАДАЧИ 1. Привести соотношения между импульсной и средней мощностью излучения,

плотностью

энергии

и

плотностью

мощности.Привести

характерную зависимость порогов разрушения (плотности мощности ) от длительности воздействия. 2.

Определить

среднюю

мощность

излучения

N2–лазера

с

длительностью импульса τ = 10 −8 c, если плотность мощности излучения q0 = 107 Вт/см2, а частота следования импульсов f = 1кГц и f = 30 кГц. 3. Рассчитать параметры механического прерывателя, представляющего собой вращающийся диск с прорезью (скорость вращения и размеры прорези), если необходимо получить импульсы излучения длительностью 40 мс при интервале между ними 60 мс и частоте следования импульсов 250 Гц. 4*. Определить распределение интенсивностей в многолучевой лазерной системе для случайного и постоянного сдвига фаз ϕ излучения отдельных лазеров, если колебание электрического поля каждого из них описывается формулой E = E 0 cos( wt + ϕ )

5. Определить полную мощность гауссова пучка, поперечное распределение интенсивности в котором определяется зависимостью от радиуса w: ⎛ − 2w 2 I ( w) = I 0 exp⎜⎜ 2 ⎝ w G

⎞ ⎟⎟ , ⎠

6. Определить расходимость гауссова пучка, если зависимость радиуса его поперечного сечения от расстояния определяется выражением: 1

⎡ ⎛ xλ ⎞ 2 ⎤ 2 wG ( x) = w0 ⎢1 + ⎜ 2 ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎝ πw 0 ⎠ ⎥⎦

7. Определить теоретическую дифракционную расходимость излучения различных лазеров по следующим данным: а) YAG:Nd

λ = 1.06 мкм

D = 5 мм

б) He–Ne

λ = 0.63 мкм

D = 3 мм

в) Cu

λ = 0.5 мкм

D = 0.3 мм

г) N2

λ = 0.34 мкм

D = 0.3 мм

где λ — длина волны излучения, D — диаметр лазерного пучка на выходе лазера. Распределение интенсивности излучения считать равномерным в пределах диаметра пучка, а излучение — многомодовым. 8. Определить расходимость излучения многомодового лазера в зависимости от числа генерируемых поперечных мод. Список рекомендуемой литературы 1. В.С.Голубев, Ф.В.Лебедев. Физические основы технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1987, 191 с. 2. А.Г.Григорьянц. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989, 304 с. 3. Таблицы физических величин. Справочник. Под. ред. акад. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат, 1976, 1008 с.

ЗАДАНИЕ №2 Оптические схемы лазерной обработки В лазерных технологиях воздействие на обрабатываемый материал осуществляется пучком лазерного излучения. От его энергии, длительности воздействия и формы поперечного сечения зависят результаты обработки. Первые два параметра определяют интенсивность и характер нагрева обрабатываемого материала излучением, а последний — размеры и форму зоны воздействия. В настоящем разделе рассмотрим методы формирования облученной зоны заданных размеров и формы при ее одновременном облучении или последовательным обходом лазерным пучком. Основными методами формирования облученной зоны являются: 1). Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком; 2). Проекционные методы. 1. Методы сканирования поверхности сфокусированным пучком При использовании этих методов изображение синтезируется в результате последовательного облучения заданного топологического рисунка сфокусированным обрабатываемой

пучком

излучения.

поверхности

Обход

осуществляется

заданного путем

контура

на

относительного

перемещения пучка излучения и объекта обработки. Фокусировка лазерного пучка зависит от поперечного распределения интенсивности в нем. При анализе задач геометрической оптики будем придерживаться телецентрической модели лазера [1], согласно которой взаимно параллельные лучи пучка при его фокусировке сходятся в одну и ту же точку фокальной плоскости.

Как упоминалось ранее в разделе 1,

минимальный

фокусе

размер

пятна

в

определяется

зависимостью

(следующей из геометрической оптики телецентрических пучков):

d0=θf

(2.1)

где θ — полный угол расходимости пучка, f — фокусное расстояние оптической системы. Теоретический предел минимального размера диаметра пучка в фокусе для любого поперечного распределения интенсивности в нем составляет d0 ≈

λ (λ — длина волны излучения). При наличии аберраций дифракционная картина изменяется и размер пятна возрастает. Относительное перемещение пучка излучения и обрабатываемого изделия может быть обеспечено разными способами: а). Перемещение детали в плоскости обработки (фокальной плоскости оптической системы). Деталь при этом располагается на координатном столе, на валу (печатные формы) и т.п. б). Перемещение оптической системы в заданной плоскости, так называемые плоттерные системы или системы с “летающей” оптикой. Особенностью таких систем является проблема обеспечения постоянной плотности мощности излучения на поверхности детали при изменении скорости движения. в). Отклонение пучка лазерного излучения, например с использованием сканера, содержащего два качающихся зеркала с магнитоэлектрическим приводом. Как видно из рис. 2.1, размер облученной зоны d зависит от ее расстояния от центра рабочей области y. Увеличение размера облученной зоны при отклонении пучка происходит по двум причинам: вследствие смещения фокуса линзы относительно обрабатываемой поверхности и вследствие наклонного падения пучка на обрабатываемую поверхность. Допустимое изменение размера облученной зоны определяет размеры рабочей области.

Рис. 2.1. Изменение размера облученной области при сканировании пучка Основным достоинством методов сканирования сфокусированным пучком является возможность концентрации всей энергии излучения лазера на площадке минимальных размеров и простота формирования сложного топологического рисунка. К недостаткам метода относятся невысокая точность,

связанная

с

неравномерностью

распределения

энергии

в

облученной зоне и с изменением размеров облученной зоны в процессе сканирования, а также необходимость использования сложных систем управления и перемещения пучка (или объекта). 2. Проекционные методы Сущность

проекционных

методов

заключается

в

формировании

изображения в целом, его части или образующего элемента путем проецирования

пучком

лазерного

излучения

изображения

маски

на

обрабатываемую поверхность с заданным масштабом уменьшения. а). Схема микропроекционного метода представлена на рис. 2.2. Пучок излучения лазера 1 расширяется с помощью осветительной оптической системы 2 до размера маски–трафарета 3, уменьшенное изображение которого строится с помощью проекционного объектива 4 на поверхности обрабатываемого материала 5.

Рис. 2.2. Схема микропроекционного метода Методика расчета микропроекционной схемы следующая. В качестве исходных данных, как правило, задаются: dобр — размер поперечного сечения образца, dобр0 — размер минимального элемента изображения на образце, dл — размер поперечного сечения пучка на выходной апертуре лазера, dмо — минимальный размер щели в маске (обычно задается нижняя граница dмо). Увеличение проекционной оптической системы определяется как βпр =

dобр0/dмо. При этом максимально возможно увеличение проекционной системы

β прmax

можно определить из условия обеспечения требуемой

плотности энергии на образце Qобр, при отсутствии разрушения маски: β прmax = Q мп Qобр , где Q мп — пороговая плотность энергии разрушения маски.

Минимальное

увеличение

проекционной

системы

ограничено

дифракционными явлениями на ее апертуре и при телецентрическом освещении определяется дифракцией на щелях маски:

β пmin р =

(d

λf пр

пр

− d м )d мо − λf п р

где dпр и dм — размер пучка на проекционном объективе и на маске.

(2.2)

Таким образом, увеличение проекционной системы βпр должно лежать в интервале: β прmin < βпр < β прmax . Полный размер маски: dм = dобр/βос. Увеличение осветительной системы определяется как: βос = dм/dл. При

этом

максимальное

увеличение

осветительной

системы

определяется условием обеспечения сохранности маски при известной плотности энергии на выходе лазера Qл: β осmax = Q л Q мп . Выбирая объектив и осветительную систему с известными фокусными расстояниями, находим значения lл, lос, lм, lобр, определяющие габаритные размеры системы, из формул:

β ос =

β пр =

l ос f = ос f ' ос lл

lобр f 'пр

=

(2.3)

f пр

(2.4)

lм

В отдельных случаях могут быть использованы упрощенные варианты оптической схемы. Если dм < dл и Qл < Q мп , может отсутствовать осветительная система. Если не требуется уменьшение размеров маски и Q мп > Qобр, может отсутствовать проекционная схема. В последнем случае микропроекционный метод сводится к контактному. Особенностью

микропроекционного

способа

формирования

изображения является то, что требования максимального поля обработки и высокой разрешающей способности δ =

1 d обр 0

находятся в противоречии: чем

выше разрешающая способность изображения, тем меньше площадь одновременно облучаемой поверхности. Основными достоинствами микропроекционного метода обработки материалов

являются

возможность

получения

изображения

сложной

конфигурации,

высокая

одновременной

обработки

Недостатками

разрешающая площади

микропроекционного

способность достаточно

метода,

и

возможность

большого

размера.

ограничивающими

его

применение, являются потери энергии на маске и жесткие требования к равномерности освещения всего поля маски. При отсутствии проекционной системы (β = 1) для получения изображения маски она должная быть вплотную прижата к обрабатываемой поверхности и проекционный метод переходит в контактный. Недостатками контактного метода являются быстрый износ трафарета и механические повреждения образца, а также дифракционные искажения изображения при неплотном прижатии и невысокая разрешающая способность (несколько микрон). б). Контурно–проекционный метод состоит в том, что изображение синтезируется в результате последовательного обхода по контуру световым пучком специального сечения, которое представляет собой микропроекцию простого элемента, например, квадрата. Схема

контурно–проекционного

метода

аналогична

схеме

проекционного метода (рис. 2.2), но осветительная система работает с увеличением, меньшим 1. Обход

заданного

контура

на

обрабатываемой

поверхности

осуществляется перемещением рабочего стола, на котором располагается изделие, по программе, или при использовании оптического плоттера. Достоинствами

контурно–проекционного

метода

формирования

оптического изображения являются: независимость размеров общего поля изображения от разрешающей способности; высокая точность рисунка (вследствие

использования

элемента,

образующего

изображение,

прямоугольной формы и равномерности распределения в нем энергии); высокая разрешающая способность; небольшие потери энергии в маске. Заметим, что рассмотренное выше положение маски в плоскости изображения выходного окна лазера не является единственно возможным.

Иным принципом построения осветительной системы является расположение маски в фокальной плоскости осветительной системы. Преимуществами такой осветительной системы являются значительно меньшие габаритные размеры и более равномерное распределение интенсивности излучения. в). Растрово–проекционный метод по своей сущности аналогичен контурно–проекционному

методу,

но

отличается

от

него

тем,

что

формирование элемента изображения (например квадрата) производится при помощи линзового растра из элементов соответствующей формы. Такое решение позволяет существенно снизить потери энергии: здесь нет потерь энергии на маске (т.к. нет и самой маски) и остаются лишь относительно небольшие потери на рассеяние и френелевское отражение.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 2.1. Построить ход лучей лазерного пучка через линзу с фокусным расстоянием

f . Показать, что диаметр пучка в фокусе определяется

зависимостью (2.1). Решение

Рис. 2.3. Определение размера пятна в фокусе Проведем прямую ON, соответствующую вспомогательному лучу ON и параллельной

АВ,

лучу

ограничивающему

расходящийся

пучок.

В

соответствии с телецентрической моделью, луч АВ, преломившись линзой, пройдет через точку N фокальной плоскости. Из подобия треугольников АОВ и ОСN получим: CN OB = OC AO

С другой стороны, угол

θ 2

d θ θ θ OB = tg . Отсюда CN = OC ⋅ tg или 0 = f ⋅ tg . Так как 2 2 2 2 AO

θ

θ

2

2

мал, то tg ≈

. В результате получим:

d0 = θ ⋅ f ,

что и требовалось доказать. Задача 2.2. Рассчитать оптическую проекционную схему с телецентрическим освещением маски при d обр = 1 мм, d пр = 50 мм, d обр min = 10 мкм,

f пр = 50 мм,

d л = 1 см, β п р = 1 / 20 . Увеличение телескопа произвольно, материал маски —

медная фольга, материал образца — хром на стекле. Решение

Рис. 2.4. Схема телескопической проекционной системы Габаритный расчет. Из выражения β п р =

d об р dм

найдем размер щели в маске: d м = 20 мм.

Увеличение телескопической системы равно

β ТС =

dм = 2 . Минимальное dл

увеличение проекционной системы:

β пminр =

(d

λf п р пр

)

− d м d мmin − λf п р

=

Найдем d мmin из выражения для увеличения проекционной системы:

βп р =

d об р min d м min

,

отсюда: d мmin = 0.2 мм. −3 Тогда при λ ~ 1 мкм β •min р = 8.3 ⋅10 .

Величины lоб р и l м найдем из геометрических соображений: из подобия треугольников 1 и 2 получаем выражение для нахождения lоб р :

rоб р f п р fп р rм = , отсюда lоб р = = f п рβ п р = 2,5 мм . rм rоб р lоб р

Аналогично получаем выражение для l м :

lм =

rм f п р rоб р

=

fп р βп р

= 1м

Энергетический расчет. Обработка

проекционным

способом

осуществляется

при

следующих

условиях: температура на поверхности маски не должна превышать температуру плавления, так как нельзя допускать разрушение маски, а температура на поверхности образца должна быть больше температуры испарения. Таким образом, используя для определения температуры на поверхности выражение (4.2):

T=

получаем: - для маски - для образца

Tпл ( Cu) >

qмt ; ρ м С м hм

Tисп ( Сr )