CC BY
81
УДК 681.787
СОВРЕМЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
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.a.g@iae.nsk.su
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-79-31, e-mail: khomutovvn@iae.sbras.ru
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
Руслан Камильевич Насыров
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-79-31, e-mail: nasyrovrk@iae.sbras.ru
Вадим Владимирович Черкашин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-79-31, e-mail: vadcher@gmail.com
Проведен анализ современных лазерных интерферометров, предназначенных для контроля формы оптических поверхностей. Рассмотрены ключевые особенности и отличительные черты интерферометра типа ФТИ-100.
Ключевые слова: интерферометр, синтезированная голограмма, контроль асферических поверхностей.
MODERN LASER INTERFEROMETER TO CONTROL THE SHAPE OF THE OPTICAL SURFACE
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., head of laboratory of diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsc.su
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: v.n.homutov@gmail.com
Alexey E. Matochkin
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, leading engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: matochkin@iae.nsk.su
Ruslan K. Nasyrov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, D. Sc., head of laboratory of the diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com
Vadim V. Cherkashin
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: vadcher@gmail.com
Analysis of modern laser interferometers to control the shape of the optical surfaces is presented. Key features and distinctive features of the FTI-100 interferometer are considered.
Key words: interferometer, synthesized holograms, optical testing.
Качество изготовления оптических поверхностей определяется методами их контроля. При изготовлении современных оптических систем, требуется контролировать качество поверхностей (зеркал и линз) с точностью до единиц и даже долей нанометра. При этом площадь контролируемой поверхности может составлять несколько десятков квадратных метров. Для контроля плоских и сферических поверхностей применяются интерферометрические методы [1], а для контроля асферических поверхностей (АП) они дополняются компьютерно-синтезированными голограммами (СГ) - корректорами волнового фронта [2]. 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. [3]. Применение СГ совместно с коммерческими интерферометрами [4] не всегда позволяет учесть эти факторы, что приводит к снижению точности измерений, а иногда и к получению ошибочного результата.
В настоящей работе приведен анализ известных интерферометров Физо (ИФ) и результаты разработки и создания прибора ФТИ-100 оптимизированного для контроля АП с применением СГ.
Упрощенная оптическая схема ИФ приведена на рис.1, а. Оптическое излучение от источника S с помощью светоделителя BS и линзы О1 направляется к эталонной пластине TF и контролируемой поверхности Ob (плоскость Р1). Излучение, отраженное от этой поверхности и от стороны А эталонной пластины (сторона В имеет клин а) фокусируется линзой О1 в плоскости диафрагмы D и далее с помощью линзы О2 направляется к расположенной в плоскости Р2 видеокамере С.
Одним из ключевых элементов ИФ является диафрагма D, которая служит для блокировки паразитного излучения отраженного от элементов схемы, в частности от стороны В эталонной пластины. Размер диафрагмы d определяет
пространственное разрешение прибора. Если эталонная пластина имеет клин а=15 угл. мин., то при фокусном расстоянии ^=600 мм линзы О1, диаметр диафрагмы может быть 10 мм. Однако, если ИФ используется для контроля АП совместно с СГ, то размер диафрагмы должен определяться углами дифракции паразитных порядков. СГ представляет собой дифракционную решетку (или зонную пластинку) и по определению, имеет множество дифракционных порядков (ДП). На рис. 1, б, в показа ход лучей света при контроле АП с помощью осевой СГ нанесенной на плоскость А эталонной пластины [3]. Для блокировки отраженных ДП, диаметр диафрагмы должен быть D<2f1УTmax. При Х=633нм и ^-О^мм, D<1.5 мм. Аналогично, если контроль АП осуществляется СГ совместно с эталонным объективом (TS), паразитные ДП формируются, как при отражении от структуры СГ, так и от контролируемой поверхности (рис. 1, в). Таким образом, разумный выбор размера d диафрагмы позволяет минимизировать влияние паразитных ДП.
а
б
в
Рис. 1. Упрощенная схема ИФ (а), схемы контроля АП с использованием одной СГ (б) и с использование эталонного объектива и СГ (в)
1. Световое поле. Диаметр светового поля с одной стороны определяет размеры контролируемых деталей, а с другой - габариты и стоимость прибора. В настоящее время выпускаются интерферометры с полем от 5 мм до 150 мм [4]. Диаметр поля в 300 мм и даже 600 мм обычно обеспечивается расширителями пучка. Наибольшее распространение получили приборы с полем 102 мм (4'').
2. Пространственное разрешение ИФ. Этот параметр, на практике, обычно определяется количеством интерференционных полос, которое регистрируется видеокамерой прибора. Ряд современных ИФ позволяет регистрировать свыше 1000 полос (Sub-Nyquist method) [5], что дает возможность проводить контроль формы АП с достаточно большим отклонением от ближайшей сферы без применения СГ. В этом случае диаметр диафрагмы (рис. 1, а) должен быть около d~8 мм, а матрица видеокамеры иметь размерность не менее 4М, что в настоящее время не является проблемой. Однако, работа с таким большим количеством полос нарушает принцип Физо, что с одной стороны приводит к снижению точности измерения (до У X [6]) и требует калибровки, а с другой увеличивает
стоимость прибора из-за повышенных требований к качеству оптической системы. Разумным компромиссом является использование сменных диафрагм, переключаемых по команде оператора. В одном из вариантов ИФ типа ФТИ-100 реализовано переключение диафрагм с диаметрами 1.2, 2.4 и 4.8 мм, что позволяет регистрировать свыше 200 полос с приемлемой точностью. На рис. 2 приведен вид рабочего окна интерферометра ФТИ-100 при количестве полос 100. Контраст полос превышает 80% (используется камера 1.2 М), а погрешность результатов измерения при изменении количестве полос с 10 до 100 не
л
превышает 10- X (гшб). На рис. 2, б показано окно интерферограммы с увеличенной в 10 раз поверхностью детали.
Современные интерферометры работают под управлением компьютеров. Процесс контроля формы оптической поверхности с помощью интерферометра достаточно сложный и трудоёмкий, его полная автоматизация затруднительна. Однако часть процедур может быть переложена с оператора на управляющую компьютерную систему. В число этих процедур входят не только стандартные функции как калибровка, обработка интерферограмм, вычитание опорной поверхности, но и дополнительные функции как «живая» фазовая карта, метод трёх пластин, измерение радиуса кривизны сферических поверхностей.
Рис. 2. Пример измерения плоскостности детали (0100мм) ИФ типа ФТИ-100 (а) и интерферограмма увеличенного в 10 раз поля 010 мм (б)
В настоящее время распространены интерферометры, управляемые компьютером по интерфейсу USB. Это удобный вариант управления, если рабочее место оператора находится рядом с интерферометром. Если интерферометр не может быть рядом с оператором (например, установлен в «чистой» комнате или опасной зоне) необходимо использовать сетевые интерфейсы связи типа
Ethernet. Прибором, поддерживающим работу в распределённых корпоративных сетях стандарта 1 Gb Eth, является интерферометр ФТИ-100, что обеспечивает встраивание в уже существующую сетевую инфраструктуру без установки дополнительного оборудования. Кроме того, интерферометр ФТИ-100 поддерживает коллективный доступ к любым поддерживаемым функциям из любой точки сети, что упрощает его использование в условиях современного оптического производства.
Оптическая схема обычного ИФ (рис. 1, а) имеет много общего со схемой автоколлиматора. Реализация функции измерения угла отклонения контролируемой поверхности очень важна при использовании СГ для контроля АП. СГ весьма чувствительны к погрешности их установки на выходе ИФ. Для точной установки СГ обычно применяют дополнительные кольцевые голограммы, которые формируют автоколлимационной изображение. Однако эти голограммы занимают часть площади и уменьшают размер основной СГ. В ИФ ФТИ-100 реализована функция фотоэлектрического автоколлиматора, позволяющая с достаточно высокой точностью проводить юстировку плоскости СГ [7]. На рис. 3 приведено изображения с наводочной видеокамеры прибора при увеличении V=1 (а) и V=8 (б). Диапазон контроля углового смещения составляет ±1.5о (рис.За), при погрешности около 10" (рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Изображения с наводочной видеокамеры прибора при увеличении V=1 (а) и V=8 (б)
На этапе юстировки интерферометра, наводочная видеокамера регистрирует излучение в виде двух пятен (одно пятно от эталонной, а второе от контролируемой поверхностей) в плоскости диафрагмы (рис. 3, б). При точной настройке интерферометра они должны попасть в центр диафрагмы. Изображение этих световых пятен наблюдается оператором, а также передается в блок обработки изображения, где вычисляются координаты их центров и текущая погрешность наводки. Если блок юстировки эталонной пластины снабжен моторизированными микровинтами, возможен режим автоматической юстировки.
Представлены результаты разработки и исследования простого и компактного лазерного ИФ с фазовым сдвигом для высокоточного контроля оптиче-
ских поверхностей. Предложенный ИФ сочетает в себе функции интерферометра и фотоэлектрического автоколлиматора, что позволяет с высокой точностью проводить юстировку эталонных СГ и автоматизировать процесс настройки. Разработано оригинальное программное обеспечение для управления прибором и анализа интерферограмм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Малакара Д. Оптический производственный контроль. М. Машиностроение. 1985.
2. Poleshchuk A.G., Nasyrov R., Asfour J-M.. Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces//Optics Express, 2009, 17, Issue 7, 5420-5425.
3. Полещук А.Г., Маточкин А.Е., Черкашин В.В., Хомутов В.Н.. Интерферометр Физо с дифракционными эталонными сферами для контроля асферической оптики//Сборник трудов 12-ой Международной конференции "Голография ЭКСПО -2015" (12 - 15 октября 2015 г., г. Казань, Россия). 2015 г. С. 172-175. М.: Изд-во ООО "Голография-Сервис.
4. http://www.rp-photonics.com/bg/buy_interferometers.html?s=vbox.
5. Groot P., Deck L.. Three-dimensional imaging by sub-Nyquist sampling of white-light interferograms//Optics Letters, 1993, 18, Issue 17, 1462-1464.
6. http://www.esdimetrology.com/pdfs/Mahr-ESDI_MarSurf-FI-2100-AS_0V.pdf
7. Патент РФ № 147271. Интерферометр для контроля формы и углового положения оптических поверхностей. Авторы: А.Г. Полещук и В.Н. Хомутов. Опубл. 27.10.2014.
© А. Г. Полещук, В. Н. Хомутов, А. Е. Маточкин, Р. К. Насыров, В. В. Черкашин, 2016
