CC BY
53
УДК 535.421
ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ДИФРАКЦИОННЫМИ ЭТАЛОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: v.n.homutov@gmail.com
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su
Вадим Владимирович Черкашин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: vadcher@gmail.com
Алексей Евгеньевич Маточкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер-технолог, тел. (383)336-41-08, e-mail: matochkin@iae.nsk.su
Антон Евгеньевич Качкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)330-79-31, e-mail: anton.kachkin@yandex.ru
Представлены результаты исследования и описание методики измерения радиуса кривизны сферических оптических поверхностей интерферометрическим методом с применением дифракционных эталонных пластин. Описана интерферометрическая система ФТИ-100 с дополнительным оснащением для измерения радиусов кривизны. Система позволяет контролировать оптические изделия с радиусом кривизны до 1000 мм с погрешностью 10 мкм.
Ключевые слова: интерферометрия, дифракционная оптика, измерительная техника.
LASER INTERFEROMETRIC SYSTEM WITH DIFFRACTION REFERENCE PLATE FOR MEASUREMENT CURVED RADIUS OF OPTICAL ELEMENTS
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior researcher, tel. (383)330-79-31, e-mail:v.n.homutov@gmail.com
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsc.su
Vadim V. Cherkashin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, researcher, tel. (383)330-79-31, e-mail: vadcher@gmail.com
Alexey E. Matochkin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, research fellow, tel. (383)336-41-08, e-mail: matochkin@iae.nsk.su
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, research fellow, tel. (383)330-79-31, e-mail: anton.kachkin@yandex.ru
The results of the investigation and a description of the procedure for measuring the radius of curvature of spherical optical surfaces by an interferometric method using diffraction reference plates are presented. The interferometric system FTI-100 with additional equipment for measuring radii of curvature is described. The system allows to control optical products with a radius of curvature of up to 1000 mm with accuracy of 10 p,m.
Key words: interferometry, diffraction optics, measurement technic, measuring instruments.
В оптическом производстве важной задачей является контроль и аттестация параметров изделий. К основным параметрам оптических изделий можно отнести тип и форму оптической поверхности, радиус кривизны, толщину и т. д. Параметры оптических изделий должны соответствовать установленным техническим требованиям, продиктованным современным приборостроением. При разработке и производстве оптических систем требуются оптические детали, изготовленные с точностью до единиц нанометров. Технически возможности производства ограничиваются не только точностью оптических станков, но также и погрешностью контрольно-измерительного оборудования. Поэтому каждое современное предприятие оптического производства должно быть оборудовано измерительными системами, обеспечивающими контроль формы оптических поверхностей с погрешностью в сотые доли длины волны света. Традиционно для контроля формы поверхностей оптических изделий применяются пробные стекла или интерферометры. Для контроля радиуса кривизны могут быть применены измерительные системы, построенные на основе контактных или автоколлимационных методов.
В настоящей работе рассмотрена возможность применения интерферометра типа Физо для контроля формы поверхности оптических деталей и их радиусов кривизны на примере разработанной в ИАиЭ СО РАН и ЗАО «Дифракция» интерферометрической системы ФТИ-100.
Интерферометрическая система ФТИ-100
Лазерный интерферометр ФТИ-100 может быть использован для контроля формы плоских, сферических и асферических поверхностей. ФТИ-100 предназначен для использования в метрологических отделах, лабораториях и оптических производствах, а также в университетах и научно-исследовательских институтах. В основе работы интерферометра лежит оптическая схема Физо (рис. 1а). Оптическое излучение от источника S с помощью светоделителя СД и коллимирующего объектива О1 направляется к эталонной пластине ЭП и далее к поверхности контролируемого объекта (плоскость Р1). Излучение, отра-
женное от этой поверхности и от стороны А эталонной пластины (сторона Б имеет клин а), фокусируется объективом О1 в плоскость диафрагмы Д (точка S') и далее с помощью объектива О2 направляется к расположенной в плоскости Р2 видеокамере ВК1. Одним из ключевых элементов оптической схемы является диафрагма Д, которая служит для блокировки паразитного излучения, отраженного от элементов схемы, в частности, от стороны Б эталонной пластины. Диаметр d диафрагмы определяет пространственное разрешение прибора. Если эталонная пластина имеет клин а = 15 угл. мин., то при фокусном расстоянии объектива О1 ^ = 600 мм, диаметр диафрагмы должен быть d < 4а^ ~ 10 мм. Однако, если ИФ используется совместно с синтезированной голограммой (СГ), размер диафрагмы должен определяться углами дифракции СГ. Для блокировки нежелательных дифракционных порядков диаметр диафрагмы должен быть d < / Ттах, где Ттах - максимальный период структуры СГ. При X = 633 нм и Ттах ~ 0,5 мм, диаметр диафрагмы должен быть d < 1,5 мм. Таким образом, разумный выбор диаметра d диафрагмы позволяет минимизировать влияние паразитных дифракционных порядков. Диафрагма также может быть использована для юстировки интерферометра. Если поверхность диафрагмы имеет достаточную площадь, то с помощью установленной перед ней второй видеокамеры ВК2 можно контролировать положение и перемещение автоколлимационных пятен [1].
Рис. 1а. Упрощенная оптическая схема Рис. 1б. Внешний вид
интерферометра ФТИ-100 интерферометра ФТИ-100
Интерферометр ФТИ-100 обладает следующими техническими параметрами:
• Низкая погрешность измерения - до А/1000.
• Устойчивость к вибрациям и разъюстировке оптической схемы.
• Спектральный диапазон - (на выбор: 532 нм, 633,2 нм, 1064 нм).
• Диаметр светового поля - 100 мм (<25, 50, 150-300 мм опция).
• Высокое пространственное разрешение - 1000 х 1000 пикс.
• Методы измерения, пригодные для различных условий работы.
• Гибкая настройка и конфигурирование.
• Интуитивно понятное, удобное программное обеспечение с широким набором функций.
Управление процессом измерения интерферометра ФТИ-100 полностью автоматизировано. Интерферометр осуществляет связь с компьютером по проводному соединению Gigabit Ethernet (GigE) спецификации 802.3ab, который обеспечивает требуемую скорость передачи данных и в то же время позволяет использовать интерферометр удаленно от управляющего компьютера оператора. Интерферометры ФТИ-100 могут быть включены в корпоративную сеть, что позволяет организовать коллективный доступ.
В интерферометре ФТИ-100 для восстановления формы волнового фронта и получения коэффициентов разложения по базису полиномов Цернике используются (по выбору оператора) метод временного фазового сдвига (ВФЗ) (5 ин-терферограмм), метод спектрального анализа на основе преобразования Фурье и метод прослеживания интерференционных полос [2]. При этом алгоритмы ВФЗ могут быть самокалибрующимися [3]. Для увеличения точности восстановления формы волнового фронта при наличии турбулентности воздуха и вибраций предусмотрено автоматическое выполнение серии измерений с усреднением результатов.
а) б) в) г)
Рис. 2. Примеры интерферограмм и карт поверхности пластины, полученных на интерферометре ФТИ-100 методами фазового сдвига (а, б)
и спектрального анализа (в, г).
На рис. 2 приведены примеры интерферограмм и карты поверхности контролируемой пластины диаметром 100 мм, полученные программой Diopto. Хорошо видно, что метод фазового сдвига дает лучшую детализацию формы поверхности (рис. 2, б), вследствие чего значение PV больше, чем полученные спектральным методом (рис. 2, г), хотя их среднеквадратичные значения (rms) совпадают с погрешностью Ш000.
Система измерения радиусов
По своему назначению интерферометр предназначен для измерения отклонения формы поверхности от эталона. Однако оптическая схема позволяет применять его для измерения некоторых других важных параметров оптических деталей. Одним из таких параметров является радиус кривизны оптической поверхности. Для измерения радиусов кривизны оптических поверхностей
интерферометр ФТИ-100 должен быть оснащен дополнительными функциональными модулями. Система измерения радиусов (СИР) состоит из интерферометра ФТИ-100 1 с эталонным объективом 2, модуля перемещения 3 и блока 4 фиксации и юстировки контролируемой детали (рис. 3).
Рис. 3. Система измерения радиусов кривизны оптических деталей
Способ измерения радиуса кривизны основан на последовательной продольной наводке интерферометра, снабженного эталонным объективом (ЭО), вначале на вершину детали (конфокальное положение 1), а затем в центр кривизны сходящегося (или расходящегося) сферического волнового фронта, отраженного от сферической поверхности детали (положение 2). Разность отсчетов этих двух продольных положений детали равна измеряемому радиусу кривизны.
Для измерения радиуса кривизны контролируемая оптическая деталь устанавливается на оптической оси интерферометра в конфокальное положение. Данное положение фиксируется по минимальному искривлению полос интерференционной картины и принимается за нулевой отсчет. Затем перемещают контролируемую деталь вдоль оптической оси интерферометра на расстояние L (рис. 4), так чтобы на интерференционной картине возникли прямые полосы. С помощью датчика перемещений определяется отсчет L. внешний вид сир показан на рис 5 а. Управление СИР осуществляется с помощью специального модуля программы DiOpto (рис. 5б). Измерение радиусов кривизны с помощью СИР производится в автоматическом режиме.
Рис. 4. Схема измерения радиуса кривизны
Рис. 5а. Внешний вид системы измерения радиусов
Рис. 5б. Вид диалогового окна программы DiOpto для системы измерения радиусов
Дифракционные эталоны
Для измерения радиусов кривизны оптических поверхностей требуются сферические эталонные объективы, формирующие эталонный сферический волновой фронт. Традиционно используются классические оптические эталонные объективы [4]. Одним из их недостатков является необходимость использования различных объективов для измерения радиусов выпуклых и вогнутых оптических поверхностей. Кроме того, стоимость классических сферических эталонных объективов очень высока. Дифракционные эталонные объективы, которые выполнены в виде фазовой дифракционной структуры на кварцевой пластине, лишены этих недостатков. С помощью дифракционного эталонного объектива можно контролировать радиус кривизны как выпуклых, так и вогнутых оптических поверхностей [5].
Заключение
Интерферометрические системы - это неотъемлемая часть любого прецизионного оптического производства. Простота и универсальность лазерных интерферометров позволяет создавать высокоэффективные промышленные измерительные комплексы для осуществления контроля наиболее важных параметров оптических изделий. Возможность работы современных интерферометров класса ФТИ-100 с дифракционными эталонными объективами и синтезированными голограммами существенно снижает производственные расходы.
Данная работа поддержана проектом РФФИ ОФИ-М №14-29-07227, и частично проектом Комплексной программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН № П.2П/П.Ю-6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лазерный интерференционный измерительный комплекс для высокоточного оптического контроля [Электронный ресурс] / А. Г. Полещук, Р. К. Насыров, А. Е. Маточкин, В. В. Черкашин, В. Г. Максимов, В. А. Тартаковский // 9-я Международная конференция
«Прикладная оптика» : сб. трудов. - 2010. - Т. 1. - С. 129-136. - Режим доступа: http://www.oop-ros.org/maket/part142.htm.
2. Метод повышения точности восстановления волнового фронта по набору интерфе-рограмм / В. Г. Максимов, В. А. Тартаковский, А. Г. Полещук, А. Е. Маточкин, Р. К. Насы-ров // Автометрия. - 2011. - 47, № 6. - С. 82-91.
3. Парпин М. А., Серегин Д. А. Алгоритм калибровки и расчета фазы при работе на интерферометре фазового сдвига // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. -2012. - Вып. 1. - С. 72-85.
4. https://www.zygo.eom/7/met/interferometers/accessories/transmissionspheres/.
5. Лазерные интерферометры для контроля формы оптических поверхностей / А. Г. Полещук, В. Н. Хомутов, А. Е. Маточкин, Р. К. Насыров, В. В. Черкашин // Фотоника. -2016. - № 4. - С. 38-50.
© В. Н. Хомутов, А. Г. Полещук, В. В. Черкашин, А. Е. Маточкин, А. Е. Качкин, 2017
