CC BY
69
КОНТРОЛЬ ОПТИКИ МИКРООБЪЕКТИВОВ НА ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ БОКОВОГО СДВИГА ПО СХЕМЕ РОНКИ
А.Н. Куликов
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.К. Кирилловский
Описан метод контроля оптики микрообъективов на интерферометре бокового сдвига с дифракционной решеткой по схеме Ронки. Представлена схема реализации данного метода.
Введение
Вибрация является одной из причин, по которым ограничиваются диапазон измерений и чувствительность интерференционных методов контроля аберраций оптических систем. В связи с этим представляются весьма перспективными разработка и совершенствование методов, нечувствительных к вибрациям. В частности, к таким методам относится контроль аберраций с использованием сдвигового интерферометра с дифракционной решеткой. Подобная схема, предназначенная для контроля астрономических систем, была предложена еще в начале прошлого века итальянским ученым Васко Ронки [1].
Достоинства сдвиговых интерферометров неоднократно отмечались ранее [2, 3]. Помимо нечувствительности к вибрациям, интерферометры сдвига обладают рядом других важных достоинств, таких как отсутствие необходимости внесения в схему образцового зеркала, отсутствие аберраций, вносимых светоделительными пластинами. Интерферометры сдвига дают возможность изучения сложных по форме волновых фронтов и исследований в натурных условиях (например, при контроле оптики телескопа, где в качестве источника света используется звезда).
В данной статье представлена схема установки с дифракционной решеткой для контроля оптики микрообъективов, собранная [3] на базе биологического микроскопа «Биолам» и внедренная в учебный процесс СПбГУ ИТМО.
Принцип действия интерферометра по схеме Ронки
Сферическая волна с центром в точке Р падает на дифракционную решетку Я, установленную перпендикулярно к оптической оси (рис. 1). Решетка имеет частоту т и располагается на расстоянии у от центра кривизны падающей на нее сферической волны.
По обеим сторонам от точки Р образуются дифракционные спектры различных порядков, имеющие для монохроматического света вид точек. Расстояние между спектрами в первом приближении для малых углов дифракции равно ё = уР, где Р - угол дифракции, Ь = тк, отсюда
ё = утк. (1)
Таким образом, решетка порождает ряд дифрагированных волн, повернутых на угол Ь и смещенных относительно друг друга на расстояние ё.При малой величине ё и монохроматическом освещении образовавшиеся дифрагированные фронты подобны исходному сферическому волновому фронту. Два соседних дифрагированных фронта, расходящиеся из точек Р и Р', образуют в той области пространства, где они пересекаются, интерференционные полосы. На экране эти полосы прямолинейны, параллельны и отстоят друг от друга на равные промежутки. Угол отклонения волнового фронта первого порядка равен углу дифракции р.
Из рис. 2 видно, что шаг интерференционной полосы равен М = рп/к.
Рис. 2. Принцип образования полос в интерферометре сдифракционной решеткой
Для сферических волновых фронтов угол наклона составляет рс = ё/х. Отсюда шаг интерференционных полос равен М = ё/кх.Подставив ё из формулы (1), имеем:
М = ту/х. (2)
Отсюда следует, что в интерферометре с дифракционной решеткой частота интерференционных полос не зависит от длины волны освещения, а определяется лишь частотой решетки и ее положением относительно плоскости изображения, а также то, что расстояние между интерференционными полосами может быть определено на основании простых геометрических соотношений.
Схема установки и методика проведения исследований
Схема предлагаемой установки представлена на рис. 3 [4]. Установка собрана на основе биологического микроскопа «Биолам». В качестве источника света используется лампа накаливания с набором монохроматических светофильтров для длин волн к1 = 546.07 нми к2= 656.27 нм. Так как установка работает по принципу сдвигового интерферометра, образцовая поверхность в ней отсутствует. В схеме применяется линейная дифракционная решетка с частотой 12,5 лин/мм. Задний рабочий отрезок микрообъектива х=140 мм.
Для получения интерферограммы от микрообъектива необходимо, используя в микроскопе окуляр, сначала сфокусироваться на тест-объект (точечный препарат), по-
мещенный на предметный столик микроскопа, затем найти вертикально расположенный светлый штрих, который материализует тест-объект «светящаяся линия» и подвижками столика привести тест-объект в центр поля.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 3. Схема установки: 1 - лампа; 2 - конденсор; 3 - светофильтр; 4 - точечная или щелевая диафрагма; 5 - исследуемый микрообъектив; 6 - дифракционная решетка; 7 - объектив наблюдательной системы; 8 - окуляр наблюдательной системы; 9 - глаз
наблюдателя
После этого необходимо заменить окуляр вспомогательным микроскопом (трубка Мир-4) и сфокусироваться на выходной зрачок исследуемого микрообъектива. Затем фокусировкой вспомогательного микроскопа нужно найти положение, при котором в зрачке будет наблюдаться система параллельных темных полос на светлом фоне. При недостаточном контрасте полос необходимо повернуть трубку Мир-4 в тубусе микроскопа так, чтобы направление штрихов решетки также стало вертикальным и совпало с направлением тест-объекта «светящаяся линия».
Число интерференционных полос можно менять с помощью продольных подвижек тубуса микроскопа.
По виду полученной интерференционной картины можно оценить характер аберраций исследуемого микрообъектива (рис. 4).
Можно измерить частоту интерференционных полос по среднему сечению картины Ронки в двух длинах волн и рассчитать хроматическую разность для исследуемого микрообъектива.
Из формулы (2) следует, что
у=Мх/т,
где М - частота интерференционных полос в зрачке исследуемого микрообъектива (для диаметрального сечения).
а) отсутствие аберраций; б) сферическая аберрация; в) кома Рис. 4. Определение характера аберраций исследуемой системы
Для двух исследуемых длин волн имеем:
У11 = Mi1 x/ m, yi2= Mi2 x/m.
Хроматическая разность определяется следующим образом:
Dyi= yii - yi2.
Заключение
Исследование аберраций оптических систем с помощью интерферометров сдвига с дифракционной решеткой является весьма перспективным, главным образом, благодаря устойчивости данных интерферометров к вибрациям. Представленная выше схема является одним из вариантов реализации данного метода.
В текущий момент развитие практической оптики характеризуется потребностью в количественном росте и качественном развитии приборов оптического контроля, измерений и исследований, в том числе - в части исследований аберраций оптических систем и ошибок деталей, вызывающих деформацию волнового фронта. Указанная потребность проявляется:
• в областях производства, распространения и эксплуатации оптических приборов;
• в оптических исследованиях;
• в сфере образования.
В числе недостатков традиционных интерферометров, построенных с использованием образцовой детали, необходимо указать:
• чувствительность к вибрациям и к качеству когерентности источника излучения;
• высокая стоимость аппаратуры в связи с необходимостью изготовления эталонной детали с точностью на уровне 1/20 и точнее.
В связи с указанным, в порядке развития рассматриваемого направления нами предполагается программа разработок методов, аппаратуры и программного обеспечения на модернизированном вибронезависимом интерферометре по схеме Ронки. Достоинства создаваемой аппаратуры будут следующими:
• возможность работы с нелазерными источниками излучения малой когерентности;
• интерферометрия в широком непрерывном спектральном диапазоне и простота, в случае необходимости, выделения необходимых рабочих длин волн;
• простота и невысокая стоимость схемных решений и аппаратного обеспечения разработок;
• компьютеризация метода, дающая автоматизацию считывания и обработки данных с возможностью оперативного определения широкого круга количественных характеристик исследуемого оптического элемента (карта деформации волнового фронта, RMS и массив коэффициентов Цернике, а также функции передачи модуляции, концентрации энергии, функции рассеяния точки и линии).
Литература
1. Ронки В. Испытание оптических систем. М.-Л.: Гостехтеориздат, 1933. 102 с.
2. Васильев Л.А., Ершов И.В. Интерферометр с дифракционной решеткой. М.: Машиностроение, 1976, с. 5-6.
3. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, 1984. 198 с.
4. Кирилловский В.К. Методическое пособие к лабораторным работам по дисциплине «Приборы для научных исследований», лаб. раб. № 7. (http://aco.ifmo.ru/student/disciplines/opt_mes.html (раздел - «Приборы для научных исследований»)).
