Безэталонный высококогерентный интерферометр
STANDARDLESS HIGHLY COHERENT INTERFEROMETER

Изобретение относится к технической физике, в частности к инструментам для измерения аберраций и формы поверхности оптических элементов и систем.
По патенту RU 2714865 «Интерферометр» (опубл. 19.02.2020 г., МПК G01B 9/02) известен безэталонный высококогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения, который позволяет измерять аберрации линз и объективов и форму поверхности зеркал. В качестве источника эталонной сферической волны интерферометр использует одномодовое оптическое волокно с субволновой выходной апертурой.
Недостатком этого интерферометра является то, что при изучении деталей на отражение требуется металлизация исследуемой детали, так как интенсивность отраженного фронта напрямую зависит от коэффициента отражения детали. Но даже при наличии металлизации интенсивности рабочего и эталонного фронтов значительно отличаются, что приводит к понижению контраста интерференционной картины и, как следствие, к снижению точности измерений. Другим недостатком этого интерферометра является то, что для перенаправления рабочего фронта, отраженного от исследуемой детали, в регистрирующую систему, где происходит интерференция, необходимо около источника, генерирующего волну сравнения, использовать плоское отражающее зеркало с острым краем, к которому подводится этот источник на расстояние около 10 мкм. При изготовлении острой кромки зеркала допускаются дефекты на нанометровом уровне, так как более грубые дефекты поверхности приводят к неконтролируемым ошибкам измерений. Близость расположения источника к краю зеркала несет риск контакта этого источника и острой кромки зеркала, что часто приводит к порче дорогостоящего источника эталонной сферической волны. Однозначная ориентация источника эталонной сферической волны и кромки зеркала, определяющая направление клина интерферирующих фронтов, не позволяет повернуть интерференционные полосы в перпендикулярном направлении, что не дает возможности измерить составляющую аберрации комы, вызванную внеосевым расположением источников, так называемую инструментальную кому.
Еще одним недостатком этого интерферометра является трудоемкая процедура калибровки для обеспечения точности измерений. Для проведения опыта Юнга необходимо снять узел источника эталонной сферической волны и вместо него установить два источника эталонной сферической волны раздельно на двух прецизионных пятикоординатных столах. Это приводит к увеличению габаритных размеров интерферометра и к дополнительной трудоемкой процедуре юстировки прибора.
По патенту RU 2547346 «Низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения и источник двух сферических эталонных волн для него» (опубл. 10.04.2015 г., МПК G01B9/02) известен безэталонный низкокогерентный интерферометр с дифракционной волной сравнения, содержащий источник низкокогерентного света, который позволяет измерять аберрации линз и объективов и форму поверхности зеркал. В отличие от интерферометра, описанного в патенте RU 2714865, в данном интерферометре исследуемая деталь освещается одним источником, а регистрирующая схема - другим, что позволяет выравнять интенсивности рабочего и эталонного фронтов, тем самым обеспечив максимальный контраст интерференционной картины. Однако, как и в вышеописанном интерферометре, необходимо использовать зеркало с острой кромкой, причем все проблемы, связанные с его наличием, только усугубляются, так как дополнительно требуется подводка второго источника эталонной сферической волны и к острой кромке зеркала, и к первому источнику на расстояние порядка 10 мкм. Другим недостатком этого интерферометра является необходимость использования длинной оптической задержки для выравнивания оптических путей от двух источников. С учетом малой, порядка 10 мкм, длины когерентности источника света решение этой задачи требует использования сложной и дорогостоящей системы, состоящей из оптоволоконной и оптико-механической частей выравнивания оптических путей.
Отмеченные выше основные проблемы существующих безэталонных интерферометров с дифракционной волной сравнения на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой в основном решены в интерферометре, описанном в работе «Получение гладких высокоточных поверхностей методом механического притира» (М.Н. Торопов, А.А. Ахсахалян, М.В. Зорина, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чхало, Ю.М. Токунов, Журнал технической физики, 2020, том 90, вып.11, с. 1958-1964). Описанный интерферометр-протип содержит два когерентных оптических канала, к выходу первого канала подключен источник, генерирующий волну сравнения, а ко второму - источник, работающий в режиме «на отражение». В обоих каналах установлены контроллеры для управления поляризацией излучения на выходе из каналов, а первом канале также введен аттенюатор интенсивности излучения. В интерферометре используется высокогерентный свет, что исключает использование громоздких и сложных систем для выравнивания оптических путей в рабочем и эталонном каналах. Интерферометр не требует плоского зеркала, перенаправляющего рабочий фронт в исследуемую деталь.
Недостатком этого интерферометра является то, что при описанной в статье схеме реализации возможно исследование деталей лишь «на отражение». Для перехода к другому режиму работы - «на просвет», требуется трудоемкая процедура перенастройки прибора. Перенастройка включает: 1) перенос одного источника эталонной сферической волны в задний фокус исследуемой детали, что резко повышает риск порчи дорогостоящего источника эталонной сферической волны; 2) трудоемкую высокоточную юстировку интерферометра и настройку поляризации света в этом канале.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка интерферометра для изучения аберраций оптических элементов и систем, позволяющего измерять детали с коэффициентом отражения от 3% до 100% без металлизации исследуемой поверхности, способного работать в режиме и «на отражение» и «на просвет», при этом не требующего трудоемкой перенастройки при изменении режима работы и применения дополнительных оптических элементов.
Технический результат в разработанном интерферометре достигается за счет того, что он, как и прототип, содержит стабилизированный по мощности и длине волны Не:Ne-лазер, с установленными на его выходе магнитооптическим изолятором и 5-координатным устройством заводки лазерного излучения в оптоволокно, с помощью которого он соединен с первым оптоволоконным делителем пучка света, разделяющим пучок света на первый и второй когерентные оптические каналы. При этом первый когерентный оптический канал содержит последовательно соединенные первый контроллер поляризации, фазосдвигающий элемент, первый аттенюатор интенсивности света, к выходу этого канала подключен первый источник эталонной сферической волны. А второй когерентный оптический канал содержит второй контроллер поляризации, к выходу этого канала подключен второй источник эталонной сферической волны. Интерферометр также содержит регистрирующую систему с цифровой видеокамерой, оптически сопряженную с первым источником эталонной сферической волны. Новым в разработанном интерферометре является то, что второй когерентный оптический канал содержит второй оптоволоконный делитель пучка света, расположенный между первым оптоволоконным делителем и вторым контроллером поляризации и разделяющий пучок света на второй и третий когерентные оптические каналы. При этом во втором когерентном оптическом канале после второго контроллера поляризации введен второй аттенюатор интенсивности света, а третий когерентный оптический канал содержит последовательно соединенные третий контроллер поляризации, третий аттенюатор интенсивности света, к выходу этого канала подключен третий источник эталонной сферической волны. При этом регистрирующая система дополнительно содержит подвижное плоское зеркало, направляющее часть пучка света в дополнительную цифровую видеокамеру.
На фигуре изображена оптическая схема разработанного интерферометра.
Разработанный интерферометр содержит лазер 1 с магнитооптическим изолятором и оптической системой для фокусировки лазерного излучения, первый оптоволоконный делитель 2.1, разделяющий пучок света на первый когерентный оптический канал I и второй когерентный оптический канал II. Первый когерентный оптический канал I содержит последовательно соединенные первый контроллер поляризации 3.1, фазосдвигающий элемент 4, первый аттенюатор 5.1 интенсивности света, к выходу этого канала I подключен первый источник 6 эталонной сферической волны. Второй когерентный оптический канал II содержит второй оптоволоконный делитель 2.2 пучка света, разделяющий пучок света на второй и третий когерентные оптические каналы II и III. После второго оптоволоконного делителя 2.2 второй когерентный оптический канал II содержит второй контроллер поляризации 3.2, второй аттенюатор 5.2 интенсивности света, а к выходу этого канала II подключен второй источник 7 эталонной сферической волны. Третий когерентный оптический канал III содержит последовательно соединенные третий контроллер поляризации 3.3, третий аттенюатор 5.3 интенсивности света, к выходу этого канала подключен третий источник 8 эталонной сферической волны. При этом разработанный интерферометр также содержит регистрирующую систему, включающую сменный объектив 9, первую плосковыпуклую линзу 10, подвижное плоское зеркало 11, вторую плосковыпуклую линзу 12, цифровую видеокамеру 13 и дополнительную цифровую видеокамеру 14.
В частном случае реализации разработанного устройства в качестве лазера 1 использовался лазер HRS015B, Thorlabs с магнитооптическим изолятором IO-3D-633-VLP, Thorlabs. В качестве первого и второго оптоволоконных делителей 2.1 и 2.2 использовали делители TN632R5A1, Thorlabs. Каждый когерентный оптический канал содержал контроллер поляризации FPC030, Thorlabs и аттенюатор интенсивности света VOA630-FC, Thorlabs. В регистрирующей системе использовался сменный объектив 9 Mitutoyo 10X 0.28 NA (MY10X-803), Thorlabs, в качестве цифровой видеокамеры 13 использовалась цифровая камера BMR-2801LM-UF-WOG-DAC, ООО «НПК «ЕС-Эксперте», а в качестве дополнительной цифровой видеокамеры 14 - цифровая видеокамера BMR-2801LM-UF, ООО «НПК «ЕС-Эксперте».
Работает заявленное устройство следующим образом. В качестве источника излучения используется Не:№-лазер 1 со стабильной оптической мощностью и длиной волны. На выходе лазера 1 установлен магнитооптический изолятор, который защищает резонатор лазера 1 от света, отраженного от последующих оптических элементов. После оптического изолятора свет попадает в асферическую линзу, установленную на 5-координатном столе. Далее свет попадает в первый оптоволоконный делитель 2.1, в котором он разделяется на два когерентных канала I и II. Свет в первом когерентном оптическом канале I проходит через первый оптоволоконный контроллер поляризации 3.1, который устанавливает желаемую поляризацию света на выходе этого канала I. Далее свет проходит через фазосдвигающий элемент 4, представляющий собой пьезокерамический цилиндр, на который намотано оптическое волокно. При этом на внешнюю и внутреннюю поверхности цилиндра подается напряжение, в результате чего цилиндр расширяется и растягивает волокно. Таким образом, этот фазосдвигающий элемент 4 сдвигает фазу между сферическими волнами в когерентных оптических каналах «I и II» или «I и III». После первого аттенюатора 5.1 интенсивности, позволяющего контролировать интенсивность света в первом когерентном оптическом канале I, с помощью одномодового оптического волокна свет первого канала I попадает в первый источник 6 эталонной сферической волны. Первый источник 6 установлен на 5-координатном столе и предназначен для освещения эталонным фронтом регистрирующей системы.
Свет из второго когерентного оптического канала II поступает на второй, аналогичный первому, оптоволоконный делитель 2.2 пучка света, где снова разделяется и направляется в два когерентных оптических канала II и III. Свет во втором канале II проходит через второй оптоволоконный контроллер поляризации 3.2, который устанавливает желаемую поляризацию света на выходе второго когерентного оптического канала II. Далее свет проходит через второй аттенюатор 5.2, позволяющий контролировать интенсивность света во втором когерентном оптическом канале II, и с помощью одномодового оптического волокна свет второго канала II попадает во второй источник 7 эталонной сферической волны. Второй источник 7 установлен на 5-координатном столе и предназначен для освещения эталонным фронтом исследуемой детали 15 при работе в режиме «на отражение». Третий когерентный оптический канал III аналогичен второму каналу II. Свет в третьем канале III приходит на третий источник 8 эталонной сферической волны, предназначенный для освещения исследуемой детали 15 при работе в режиме «на просвет».
Система регистрации интерферограмм образована сменным входным объективом 9, задающим рабочую апертуру интерферометра, и двумя плосковыпуклыми линзами 10 и 12, согласующими входную апертуру сменного объектива 9 и максимальный размер изображения на ПЗС камере 13. То есть плосковыпуклые линзы 10 и 12 формируют изображение рабочего и эталонного фронтов на ПЗС камере 13. Цифровая видеокамера 13 оптически сопряжена с первым источником 6 эталонной сферической волны, генерирующим волну сравнения, и предназначена для регистрации интерферограмм. Подвижное плоское зеркало 11, направляющее часть пучка света в дополнительную цифровую видеокамеру 14, вводится в систему регистрации для настройки изображения исследуемой детали 15 на дополнительной видеокамере 14. Это позволяет существенно упростить и ускорить предварительную настройку изображения исследуемой детали 15 по всем координатам, используя наблюдаемые на дополнительной видеокамере 14 изображения первого источника 6 эталонной сферической волны и пятно, отраженное (прошедшее) от исследуемой детали 15.
В процессе измерений исследуемой детали 15 «на просвет» эталонный фронт от третьего источника 8 проходит через исследуемую деталь 15 и фокусируется в окрестности первого источника 6. Далее расходящиеся сферические фронты рабочий (прошедший через исследуемую деталь 15) и эталонный (от первого источника 6) интерферируют в регистрирующей системе. Деталями, которые изучаются в режиме на просвет, являются, например, различные однолинзовые или многолинзовые объективы. В конкретном примере исследовался 5-линзовый объектив с входными параметрами -числовая апертура 0,145, фокусное расстояние 191 мм, и выходными параметрами -числовая апертура 0,33, фокусное расстояние 66 мм. В результате измерений были получены следующие данные: волновые аберрации по параметру PV (максимальный размах) =42,3 нм и RMS (среднеквадратическое отклонение) =8,2 нм.
кp
В случае исследования детали 15 «на отражение» фронт от второго источника? падает на исследуемую деталь 15, отражается от нее и фокусируется в окрестности первого источника 6. Далее расходящиеся сферические фронты рабочий (отраженный от исследуемой детали 15) и эталонный (от первого источника 6) интерферируют в регистрирующей системе. Примерами деталей, изучаемых в режиме работы «на отражение», могут служить различные оптические поверхности со сферической и асферической формами, а также элипсоиды, параболоиды и т.д. В примере конкретной реализации исследовалось сферическое зеркало из плавленого кварца (диаметр 100 мм, радиус кривизны R=137,5 мм, числовая апертура NA≈0,36) после процедуры механической полировки (притира). Измеренные параметры формы поверхности зеркала составили PV=16,6 нм и RMS=3,3 нм.
Таким образом, разработанный интерферометр содержит третий оптический канал III, когерентный двум другим, и третий источник 8 эталонной сферической волны. Наличие этого третьего источника 8, расположенного относительно первого источника 6 с противоположной стороны от исследуемой детали 15, позволяет исследовать эту деталь 15 «на просвет». При этом в разработанном интерферометре сохраняется второй источник 7, позволяющий исследовать деталь 15 «на отражение». Таким образом, разработанный интерферометр дает возможность исследовать деталь 15 без перенастройки и перемещения источника эталонной сферической волны, свет которого направляется на исследуемую деталь 15. В конструкцию разработанного интерферометра дополнительно введены следующие элементы: подвижное плоское зеркало 11 и дополнительная цифровая видеокамера 14. Эти элементы, также как и в описанном в RU 2714865 интерферометре, позволяют существенно упростить и ускорить предварительную настройку изображения исследуемой детали 15 по всем координатам, используя наблюдаемые на дополнительной видеокамере 14 изображения первого источника 6 эталонной сферической волны и пятно отраженное (прошедшее) от исследуемой детали 15. Кроме того, в разработанном интерферометре есть возможность выравнивать интенсивности интерферирующих пучков света при изучении деталей с коэффициентами отражения в широком диапазоне (3-100)%. Коэффициент отражения около 3% соответствует детали без отражающего покрытия с низким показателем преломления. Кроме того, при заявляемой конструкции интерферометра имеется возможность произвольной ориентации полос интерференционной картины, а также отпадает необходимость в использовании крупногабаритного и сложного высокоточного устройства выравнивания оптических путей в каналах.