Лазерный интерферометр фти-100 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФТИ-100

Александр Григорьевич Полещук

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, заведующий лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: nasyrov@ gmail. com

Алексей Евгеньевич Маточкин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, ведущий инженер лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: matochkin@iae.nsk.su

Вадим Владимирович Черкашин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: vadcher@, gmail. com

Владимир Николаевич Хомутов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, аспирант / инженер программист лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: v.n.homutov@gmail.com

Приведено описание лазерного интерферометра Физо типа ФТИ-100 с фазовым сдвигом для бесконтактного контроля формы плоских, сферических и асферических оптических поверхностей. Особенностью прибора является оригинальная оптическая схема и применение дифракционных оптических элементов в качестве эталонов.

Ключевые слова: контроль формы оптических поверхностей, лазерный интерферометр, дифракционных оптических элементы, синтезированные голограммы.

LASER INTERFEROMETR FTI-100

Alexander G. Poleshchuk

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, head of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: nasyrov@ gmail.com

Aleksey E. Matochkin

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, head engineer of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: matochkin@iae.nsk.su Vadim V. Cherkashin

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: vadcher@ gmail.com

Vladimir N. Khomutov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, engineer of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: v.n.homutov@gmail.com

The description of the laser interferometer Fizeau FTI-100 with a phase shift for contactless measurement of the shape of flat, spherical and aspheric optical surfaces is presented. Original optical design and the use of diffractive optical elements as references are the main features of the device.

Key words: test of optical surfaces, laser interferometer, computer-generated holograms.

В условиях современного оптического производства является актуальной задача быстрого нанометрического бесконтактного контроля формы поверхности изготовленных оптических деталей. Универсальных интерферометров, способных контролировать как сферические, так и асферические поверхности оптических деталей отечественная промышленность серийно не выпускает. Существующие на рынке образцы интерферометров производства зарубежных фирм имеют высокую стоимость.

Целью данной работы является разработка универсального лазерного интерферометра для прецизионного контроля оптических изделий в условиях метрологических лабораторий оптических предприятий. Прибор позволит с высокой точностью контролировать форму плоских, сферических и асферических поверхностей. При этом в качестве эталонных элементов могут применяться дифракционные корректоры волнового фронта [1].

Оптическая система прибора. Особенностями интерферометра Физо [2] являются: светоделитель в виде оптического клина, схема наводки и юстировки, основанная на совмещении бликов от эталона и контролируемой поверхности, конструкция блока фазового сдвига с пьезоэлектрическими актюаторами. Управление прибором (фокусировка, увеличение, интенсивность излучения) осуществляется дистанционно (интерфейс USB, расстояние от 5 до 20 метров) от компьютера. Это позволяет использовать его в чистых зонах или при удалённом от оператора размещении. Например, над контролируемым зеркалом телескопа с большим фокусным расстоянием. Прибор позволяет контролировать форму оптических деталей с размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров, с воспроизводимостью Х/1000 (CKO).

В состав системы входит лазерный интерферометр типа ФТИ-100PS с диаметром выходного пучка 102 мм, источником излучения Х = 632,8 нм, регулируемым увеличением объекта до 6х, блоком переменного фазового сдвига, управляющим компьютером и программным обеспечением (ПО) для дистанционного управления интерферометром и анализа интерферограмм. ПО поддерживает алгоритмы вычисления фазы волнового фронта по интерферограммам, полученных с фазовым сдвигом и по одной интерферограмме. Система позволяет контролировать как плоские, так и сферические оптические поверхности с помощью стандартных эталонных объективов Физо (имеется совместимость со

стандартными 4-х дюймовыми эталонами семейства 2у§о), а также асферические оптические поверхности с помощью эталонных дифракционных оптических элементов (ДОЭ).

Рис. 1. Упрощенная схема интерферометра. 1 - Не-№ лазер, 2 - поляроид, 3 - аттенюатор, 4, 8, 9 - зеркала, 5 - микообъектив, 6 - диафрагма,

7 - светоделитель, 10 - коллимирующий объектив, 11 - диафрагма,

12, 15 - видеокамеры, 13 - линза, 14 -зумирующий объектив, 16 - эталон,

17 - исследуемая деталь

В качестве светоделителя использована пластинка в виде оптического клина, с отражающим и просветляющим покрытием, что позволило убрать паразитные блики, упростить оптическую схему и уменьшить оптический ход лучей. Для управления интенсивностью излучения лазера используется моторизованный дифракционный аттенюатор. С целью точного совмещения бликов от эталона и контролируемой поверхности в процессе юстировки, в приборе используется схема с наклонённой диафрагмой-экраном и отдельной видеокамерой [3]. Конструкция блока фазового сдвига представляет собой двухмембранный параллелограммный механизм с двумя пьезоэлектрическими актюаторами и с системой автоматической калибровки.

Характеристики интерферометра и его управление. Интерферометр содержит одночастотный лазер, поляроид, моторизованный дифракционный аттенюатор, систему зеркал, микрообъектив в виде асферической линзы, клино-вый светоделитель, коллимирующий объектив со световым диаметром 102 мм, систему контроля юстировки с отдельной видеокамерой, приемный модуль с блоками фокусировки и переменного увеличениям. Внешняя сменная оптика (эталонные сферы, пластины, дифракционные эталоны и т.д.) крепятся байонетным разъемом к блоку фазового сдвига. Компоновка интерферометра и его внешний вид приведены на рис. 2.

Регистрация интерферограмм осуществляться цифровой видеокамерой. Управление прибором и анализ интерферограмм методом переменного фазового сдвига в процессе измерения осуществляется от компьютера. Основные технические характеристики прибора приведены в табл. 1.

(а) (б)

Рис. 2. Компоновка интерферометра ФТИ-100 (а) и его внешний вид (б)

Таблица 1

Основные технические характеристики прибора

Световой диаметр............. 102 мм

Точность измерения........... 3 нм (РУ), 1 нм (rms)

Время измерения.............. <0,5 сек

Разрешение................... 1024х768

Длина волны излучения........ 632,8 нм

Фокусировка.................. -0.5/+2 м

Увеличение................... 1х - 6х

Канал наводки................ до 4 град.

Оптимизация клинового светоделителя. В оптических схемах интерферометров для разделения пучков света обычно используется светоделительный кубик [2]. Иногда для упрощения конструкции используется светоделительная пластина. Однако, использование наклоненной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке приводит к возникновению аберраций и появлению искажений в регистрируемой интерферограмме.

Для уменьшения этих искажений нами было предложено использовать светоделитель с клином. Причем, величина клина рассчитывается таким образом, чтобы минимизировать эти искажения. На рис. За представлены результаты моделирования (программа Zemax) оптимальной величины угла клина при его наклоне на 25о. На рис. Зб приведены результаты экспериментального исследования величины аберраций сходящегося пучка света (f/D=6) при изменении наклона светоделителя от 0° до 60°. Видно, что аберрации имеют минимум при расчетном угле поворота 25°, а их значение не превышают 0.05Х (СКО), в то время как обычный светоделитель (п/п пластина) вносит искажения в 0.5Л (СКО),

Рис. 3. Светоделитель в виде пластины (а), измеренные аберрации волнового фронта (СКО) после светоделителя с клином и без клина (б)

Программное обеспечение интерферометра [4]. Принцип работы интерферометра Физо с фазовым сдвигом основан на перемещении эталонной поверхности вдоль оптической оси во время измерения. Перемещение эталонной поверхности вызывают изменение фазы между опорным и измерительным волновыми фронтами в соответствии с алгоритмом Хари-Харана [5]. Перемещение эталона (обычно 4 или 5 шагов) осуществляется по командам от управляющего компьютера и синхронизируется с работой видеокамеры. Общее время перемещения не превышает 0.5 сек.

За это время, в процессе измерения, компьютер считывает с видеокамеры прибора несколько интерференционных картин. Распределение интенсивности описывается выражением:

1{х,у) = /0 + СО^[(р{х,у) + 0>(*)]

где 1о и I- постоянная и переменная составляющие интерференционной картины, (р(х,у) - фаза волнового фронта, (р(1)- величина вносимого фазового сдвига, зависящая от времени. Выражения для варианта с количеством фазовых сдвигов равным пяти, даны в табл. 2.

Таблица 2

Л (х, у) = I, + сое [<р(х, V)] (рО) 0 (шаг 1, фаза 0о)

12{х,у) = /0 -/ вт[^(х, V)] (р(1) л 2 (шаг 2, фаза 90о)

13(Х>У) = 7о -1~ соз[^(х,>>)] (р(1)= п (шаг 3, фаза 180о)

1ЛХ, У) = 4 + 1 5т[г/)(х, >■)] (р^)= Зтр2 (шаг 4, фаза 270о)

Ц (х>у) = 1о + 7~ соз[^(х, V)] (р^)= 2 я (шаг 5, фаза 360о)

Для определения фазы волнового фронта в каждой точке используется следующее выражение:

2 1п х.у -/, х.у \т[ф{х,у)\ = “ '

2/3 х,у -15 х,у -1Х х,у

Результат обработки интерферограммы отображается в виде 2-х или 3-х мерной карты волнового фронта (рис. 4).

• >! ХП1

б

Рис. 4. Вид графического интерфейса (а). Трёхмерная карта формы поверхности оптического изделия (б)

Заключение Разработан простой и компактный лазерный интерферометр Физо с фазовым сдвигом для высокоточного контроля оптических поверхностей. Программное обеспечение [5] обеспечивает автоматическую расшифровку серии интерферограмм и представление результата в виде 2-х или 3-х мерных карт поверхности.

Данная работа выполнена при поддержке междисциплинарного интеграционного проекта № 112 СО РАН, проекта РФФИ 12-02-01118-а и программы Старт (Проект №9499р/9490).

1. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P. Nasyrov R.K. Asfour J.-M. Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing// Proceedings SPIE. 2008. Vol. 7102. 710206.

2. Malacara D.. Optical shop testing. Wiley, New York. 2007.

3. Патент РФ №2432546. Интерферометр для контроля формы поверхности оптических деталей (Опубликован 27.10.2011г.), авторы А.Г. Полещук и А.Е. Маточкин.

4. Максимов В.Г, Тартаковский В.А, А.Г. Полещук, A. Е. Маточкин, Р.К. Насыров Р.К.. Повышение точности восстановления волнового фронта по набору интерферограмм // Автометрия, 2011, т. 47, № 6.

5. Malacara D., Servin M., and Malacara Z. Interferogram Analysis for Optical Test-ing//Dekker, 1998. pp. 169-245.

© А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, А.Е. Маточкин, В.В. Черкашин, В.Н. Хомутов, 2013