CC BY
89
УДК 681.787: 004.3
А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, А.Е. Маточкин, В.В.Черкашин
ИАЭ СО РАН, ЗАО ДИФРАКЦИЯ, Новосибирск, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su
ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФТИ-100 С ФАЗОВЫМ СДВИГОМ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Представлено описание интерферометрической измерительной системы ФТИ-100, предназначенной для контроля формы поверхности оптических изделий с нанометрической точностью. Программное обеспечение прибора позволяет контролировать форму поверхности оптической детали на основе серии интерферограмм.
A.G. Poleshchuk, R.K. Nasyrov, A.E. Matochkin, V.V. Cherkashin
Institute automation and electromrtry SB RAS, JSC DIFFRACTION, Novosibirsk,
e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su
FTI-100 LASER INTERFEROMETRIC SISTEM WITH PHASE-SHIFTING FOR PRECISION OPTICAL TESTING
The description of the FTI-100 interferometric measuring system intended for testing of the surface shape of optical elements with nanometric accuracy is presented. The software allows to test the form of a surface of the optical elements on the basis of analysis of a series of interferograms.
Введение
Качество изготовления оптических поверхностей определяется методами их контроля. При создании современных высокоточных оптических устройств, таких как установки для микрофотолитографии, лазерные системы, рентгеновские и оптические телескопы, требуется контролировать качество поверхностей с точностью до единиц и даже долей нанометра. При этом площадь контролируемой поверхности может составлять несколько квадратных метров. Для проведения измерений такого рода применяется интерферометрический метод [1]. Сферические и плоские поверхности контролируются обычными интерферометрами Физо [2]. Для контроля асферических поверхностей требуется формирование эталонного асферического волнового фронта. В последние годы для формирования таких волновых фронтов стали широко применяться компьютерно-синтезированные голограммы (СГ) - корректоры волнового фронта [3]. Применение СГ имеет ряд особенностей, таких как наличие паразитных дифракционных порядков, низкая дифракционная эффективность, требуемая высокая точность юстировки относительно интерферометра и контролируемой поверхности и др. [4].
Применение СГ совместно с коммерческими интерферометрами не всегда позволяет учесть эти факторы, что приводит к снижению точности измерений, а иногда и к получению ошибочного результата.
В настоящей работе приводятся результаты разработки и создания лазерной интерферометрической измерительной системы для высокоточного оптического контроля на основе интерферометра Физо, типа ФТИ-100 (разработанного совместно ИАиЭ СО РАН и ЗАО «ДИФРАКЦИЯ»).
Интерферометрическая измерительная система
Прибор состоит из оптико-механического блока интерферометра, блока фазового сдвига, программного обеспечения управления интерферометром и анализа, расшифровки и обработки интерферограмм.
В интерферометре применена усовершенствованная схема Физо с изломом оптической оси для совмещения в компактном корпусе оптической системы, одночастотного лазера, наводочной и приемной видеокамер с переменным увеличением. Прибор может работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Блок крепления сменных эталонных пластин и сфер имеет стандартное байонентное крепление, совместимое с эталонами фирмы Упрощенная схема интерферометра приведена на рис. 1.
02 Эталон Объект
Аттенюатор He-Ne лазер
Рис.1. Упрощенная схема интерферометра.
Оптический блок обеспечивает формирование измерительного высококачественного коллимированного лазерного пучка диаметром 102 мм, прием, фильтрацию отраженного от контролируемого объекта светового пучка и угловую юстировку контролируемой поверхности. Управление интенсивностью лазерного излучения (Аттенюатор), увеличением (Zoom), фокусировкой (Фокус) осуществляется от управляющего компьютера. Основные технические характеристики представлены в таблице, а внешний вид показан на рис. 2.
Таблица
Параметры Величина Примечание
Световой диаметр 102 мм Выходной параллельный пучок
Фокусировка -0.5/+2 м От входного зрачка
Увеличение 1х - 6х
Канал наводки До 4 град. Поле зрения при настройке
Погрешность Х/100 РУ, >1/1000 пш 6 нм PV и 0.6 нм rms
Разрешение 1024x768, 750x580
Время съема 0.3 сек 5 интерферограмм с фазовым сдвигом
Тип лазера Ие-Ке Одночастотный, когерентность> 30м
Программное обеспечение Под Windows ХР Полный анализ интерферограммы. Анализ и обработка фазовой карты
Рис. 2. Интерферометр ФТИ-100
Блок фазового сдвига на основе пьезопривода (ПП) предназначен для смещения эталонной пластины или объектива вдоль оптической оси в диапазоне 0 - 500 нм с точностью не хуже 10 нм. Перемещение эталонной поверхности вызывают изменение фазы между опорным и измерительным волновыми фронтами. Перемещение эталона осуществляется по командам от компьютера и синхронизируется с работой видеокамеры. Диапазон перемещения состоит из 5 шагов. Общее время перемещения не превышает 0.5 сек. За это время компьютер считывает несколько интерференционных картин (с помощью приемной видеокамеры), каждая точка которых отличается друг от друга по фазе на 90о. Эти картины обрабатываются в компьютере. Для определения фазы волнового фронта в каждой точке используется алгоритм переменного фазового сдвига с последующим анализом нескольких интерферограмм, полученных с фазовым сдвигом 0, п/2, п, 2/3п, 2п. Для получения фазового сдвига 2п пьезопривод должен переместить эталон на расстояние У2 = 316.4 мкм (X - длина волны лазера, 632.8 нм). Результат обработки отображается в виде 2-х или 3-х мерной карты волнового фронта.
Третьей важной составляющей интерферометрического комплекса является программное обеспечение, которое решает задачу управления прибором в целом. Разработано программное обеспечение (ПО) для декодирования и анализа интерферограмм произвольных поверхностей. Отличительной особенностью ПО является управление всеми узлами прибора, диагностика основных блоков, быстрая калибровка пьезопривода как автоматическая, так и ручная, выбор метода анализа интерферограмм исходя из условий эксперимента и др.
Анализ интерферограмм и управление интерферометром
Алгоритмы обработки интерферограмм и вычисления фазы волнового фронта можно условно разделить на анализ по одной интерферограмме и на анализ по нескольким интерферограммам, полученным с различным фазовым сдвигом. Метод анализа по одной интерферограмме обладает ограниченной точностью, но при достаточно высокой скорости работы приемной видеокамеры интерферометра он менее чувствителен к вибрациям. Анализ по нескольким интерферограммам, полученным с фазовым сдвигом, позволяет проводить более точные измерения. Недостатком такого метода является большая зависимость от вибраций и ошибок в работе системы фазового сдвига. Заданный фазовый сдвиг, в большинстве алгоритмов равный п/2, создается смещением эталонной поверхности. Ошибку в измерения в этом случае вносит наклон и поперечное смещение эталонной поверхности при фазовом сдвиге. Для исключения этого эффекта требуется независимая калибровка всех элементов ПП. В интерферометре ФТИ-100 для анализа интерферограмм используется алгоритм фазового сдвига Хари-Харана [5]. Введена возможность задания функции соответствия: «координата СГ - исследуемая поверхность» (рис. 3, а). Такая функция обычно предоставляется вместе с изготовленной СГ. Это позволяет однозначно связать между собой координаты точек на интерферограмме с координатами точек контролируемой поверхности, что необходимо при доводке оптического изделия в процессе производства.
где
Рис. 3. Программное обеспечение управления интерферометром и анализа интерферограмм: функция преобразования координат (а), карта ошибок контролируемой поверхности (б), окно коррекции координат интерферограммы (в), синтетическая интерферограмма (г), исходная интерферограмма (д) и пример синтетической интерферограммы виртуального
интерферометра (е)
Предоставлена возможность проведения усреднения вдоль угловой координаты и получения графика отклонения формы поверхности от расчетной вдоль радиуса исследуемой поверхности. Эта функция необходима при использовании интерферометра в автоматизированных системах алмазного точения асферических поверхностей для контроля качества изготовления и коррекции в режиме реального времени. Для проверки точности работы ПО введен расчет синтезированной (синтетической) интерферограммы (рис. 3, г). Синтезированная интерферограмма рассчитывается на основе полиномов Цернике, которыми аппроксимирована фазовая функция волнового фронта (рис.
3, б). Сравнение синтетической интерферограммы с исходной позволяет гарантировать, что расчеты были выполнены верно.
Для проверки ПО введен модуль, имитирующий интерферометр (рис. 3, е). Имеется возможность моделировать погрешности интерферометра, такие как вибрации, неравномерность освещенности по полю, шумы, неравномерность и нелинейность перемещения ПП. Реализована возможность независимого введения этих погрешностей. Это позволяет в процессе разработки ПО проверить расчетные модули расшифровки и анализа фазовой карты на
устойчивость к возможным погрешностям измерений и внести необходимые коррекции. Таким образом, обеспечивается надежность интерферометрических измерений.
Заключение
Разработана и создана лазерная измерительная система для нанометрического контроля формы оптических поверхностей. Разработано оригинальное программное обеспечение для управления прибором и анализа интерферограмм.
Данная работа поддержана комплексным интеграционным проектом № 54 СО РАН и Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере (Программа Старт, государственный контракт №6894р/9490).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. J. C. Wyant. and V P. Bennett. Using computer-generated holograms to test aspheric wavefronts // Appl. Optics. 1972. Vol. 11. pp. 2833-2839.
2. Д. Малакара. Оптический производственный контроль. М.: Машиностроение, 1985.
3. Г.Н.Буйнов, Н.П. Ларионов, К.С. Мустафин. Голографический интерферометрический контроль асферических поверхностей//Оптико-механическая промышленность. 1971. №4. C. 6-11.
4. A.G. Poleshchuk; V. P. Korolkov; R. K. Nasyrov; J.-M. Asfour, Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing// Proceedings SPIE. 2008. Vol. 7102. Optical Fabrication, Testing, and Metrology III, Angela Duparre; Roland Geyl, Editors, 710206.
5. D. Malacara, M. Servin, and Z. Malacara, Interferogram Analysis for Optical Testing. Dekker, 1998. pp. 169-245.
6. Wyant J. C., Creath K. Basic wavefront aberration theory for optical metrology // Applied Optics and Optical Engineering / Shannon R., Wyant J. eds. New York: Academic Press. 1992. V. 11. P. 28-39.
© А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, A.E. Маточкин, В.В.Черкашин, 2011
