Способ измерения профиля поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии
METHOD OF MEASURING THE SURFACE PROFILE OF OPTICAL PARTS USING LASER PHASE-SHIFTING INTERFEROMETRY

Изобретение относится к области бесконтактных оптических измерений интерференционным способом и может быть использовано, в частности, для измерения параметров профиля поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии при производственном контроле в оптическом приборостроении.
Известны способы исследования топографии полированных поверхностей оптических деталей с помощью интерферометра Физо [1].
Один из таких способов [2] основан на том, что строят профиль оптической поверхности с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии и проводят анализ последовательности интерферограмм, регистрируемых при взаимодействии световых пучков, отраженных от исследуемого образца и базовой поверхности в условиях управляемого изменения их взаимного расположения.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, ограниченная возможностью его использования для оптических деталей с большой клиновидностью или с неполированными задними поверхностями, поскольку в случаях полированных поверхностей плоскопараллельных пластин межплоскостная интерференция вносит существенные помехи и искажает результаты измерений.
Частично задача может быть решена посредством известного способа интерферометрии [3], согласно которому строят профиль оптической поверхности с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии и проводят анализ последовательности интерферограмм, регистрируемых при взаимодействии световых пучков, отраженных от исследуемого образца и базовой поверхности, когда используют лазерное излучение с перестраиваемой длиной волны.
Недостатком этого способа является сложность его реализации в условиях производственного контроля деталей различной геометрии, поскольку необходима настройка алгоритма расчетов с введением данных толщины исследуемых образцов и их положения относительно базовой плоскости интерферометра.
Кроме того, известный способ основан на предположении оптической однородности объема исследуемых деталей и не может быть применим, например, для образцов из стеклокерамики с высокой свильностью материала, поскольку в этом случае возникают существенные ошибки измерений.
Известны также способы [4], основанные на применении интерферометрии с источниками света низкой когерентности, в частности, газоразрядными лампами.
Недостаток этих способов обусловлен тем, что необходимая близость тестируемого образца к базовой поверхности интерферометра Физо создает неудобство проведения юстировки, особенно заметное в условиях производственного контроля.
Кроме того, это требование может быть непреодолимым препятствием в решении специальных задач, например, исследования интерферометрическими методами отдельных элементов в составе сборной конструкции.
Способ анализа профиля поверхности оптических деталей с применением белых интерферометров [5] снижает недостатки, связанные с межплоскостной интерференцией, в силу малой длины когерентности используемого излучения.
Однако, этот способ имеет недостаток, обусловленный небольшим полем зрения белых интерферометров, которое может быть расширено лишь с применением дополнительных оптических узлов и приемов автоматизации, что создает сложности при анализе крупногабаритных деталей в условиях производственного контроля.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения профиля поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии [6], заключающийся в том, что, формируют пучок непрерывного одномодового излучение лазера видимого диапазона, делят его в интерферометре по схеме Физо на два пучка, один из которых после отражения от эталонной поверхности, размещенной на пьезоэлектрическом актуаторе, направляют на фотоприемную матрицу видеокамеры, а другой пучок направляют на поверхность оптической детали, и отраженное от нее излучение также направляют на фотоприемную матрицу видеокамеры для формирования последовательности интерференционных картин, которую используют для построения профиля поверхности оптической детали вдоль оси ее сдвига, производимого пьезоэлектрическим актуатором, при этом, помехи, обусловленные межплоскостной интерференцией в исследуемой детали, устраняют посредством использования иммерсионной жидкости.
Недостатком наиболее близкого технического решения является низкая производительность контроля оптических деталей, обусловленная подготовкой образцов к измерениям и необходимостью их последующей отмывки от иммерсионной жидкости.
Дополнительным недостатком является относительно низкая точность, вызванная помехами, обусловленными межплоскостной интерференцией в исследуемой оптической детали, например, при наличии у оптической детали зеркального покрытия на тыльной стороне.
Задача, которая решается в изобретении, направлена на расширение арсенала технических средств, используемых при измерении профилей поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии с целью повышения достоверности и точности измерений, а также повышение производительности.
Требуемый технический результат заключается в повышении достоверности и точности измерений, а также повышении производительности при контроле в промышленных условиях.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе измерения профиля поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии, заключающемся в том, что, формируют пучок непрерывного одномодового излучение лазера с длиной волны λ, делят его в интерферометре по схеме Физо на два пучка, один из которых направляют на фотоприемную матрицу видеокамеры после отражения от эталонной поверхности, размещенной на пьезоэлектрическом актуаторе, а другой пучок направляют на поверхность тестируемой оптической детали, и отраженное от нее излучение направляют на фотоприемную матрицу видеокамеры для формирования последовательности интерференционных картин, которую используют для измерения параметров профиля поверхности оптической детали вдоль оси сдвига, который производят с помощью пьезоэлектрического актуатора, согласно изобретению, длину волны λ одномодового излучения лазера выбирают из условия
0
где λ - коротковолновая граница спектральной области оптического пропускания эталонной пластины интерферометра Физо;
-1
α - функция, обратная к α(λ), зависимости показателя поглощения излучения α в материале исследуемого образца от длины волны λ;
n - показатель преломления в материале исследуемого образца для излучения с длиной волны λ;
d - толщина исследуемого образца,
k - максимальное число ступеней амплитудной дискретизации преобразователя сигналов цифровой видеокамеры, применяемой для фиксации интерферограмм.
Предложенный способ описывается с использованием графических изображений, представленных на чертеже.
На чертеже представлены:
на фиг. 1а, 1б - пример графиков зависимости показателя поглощения от длины волны α(λ) и обратной ее функции для ситалла СО-115;
на фиг. 2 - пример устройства, позволяющий реализовать предложенный способ;
на фиг. 3 - интерференционная картина тестируемого образца, наблюдаемая в интерферометре Физо на базе He-Cd лазера с длиной волны 325 нм (образец - ситалловый диск толщиной d=0,7 см с полированными поверхностями и электродами, впаянными с обратной стороны по периметру сквозных отверстий);
на фиг. 4 - пример построения 3D профиля поверхности по стандартной процедуре фазовой развертки с компьютерным анализом последовательности цифровых изображений.
Устройство, реализующее способ (фиг. 2) содержит источник 1 ультрафиолетового излучения (УФ), первое 2 и второе 3 поворотные зеркала, короткофокусную линзу 4, диафрагму 5, светоделитель 6, третье поворотное зеркало 7, коллиматор 8, эталонную пластину 9, пьезоэлектрический актуатор 10, оптическую деталь (тестируемый образец) 11.
Предложенный способ заключается в следующем.
Условие  определено из следующих предположений.
Для исключения влияния интерференционных помех, обусловленных отражением света от тыльной поверхности оптической детали, необходимо производить выбор длины волны λ непрерывного одномодового излучения лазера из условия полного затухания направленного на поверхность оптической детали пучка излучения в толще тестируемой оптической детали.
1
Известно [7], что интенсивность световой волны I, отраженной от исследуемой передней поверхности образца, равна
0
где I - интенсивность падающего излучения,
n - показатель преломления материала образца.
Проходящая в образец часть излучения равна
3
После отражения от задней поверхности образца назад может вернуться его часть I (максимальная в случае наличия отражающего покрытия), равная
где е - основание натурального логарифма,
λ - длина волны используемого излучения,
-1
α(λ) - показатель поглощения материала исследуемого образца, зависящий от длины волны λ, см,
d - толщина образца, см.
Эта величина фактически определяет максимальный масштаб помехи, имеющей место в интерферометре Физо для света с большой длиной когерентности.
Условие пренебрежимо малого влияния помехи, обусловленной отражением от тыльной поверхности, может быть сформулировано как
где k - максимальное число ступеней амплитудной дискретизации преобразователя сигналов цифровой видеокамеры, применяемой для фиксации интерферограмм.
Таким образом, требование исключения помех, обусловленных отражением от тыльной стороны исследуемой детали, может быть представлено в виде
В частности, реализация способа возможна с использованием ультрафиолетового излучения.
При регистрации интерферограмм цифровой видеокамерой с числом ступеней амплитудной дискретизации преобразователя сигналов k=16384 (14 бит на пиксель) для пластины, например, толщиной d=0,7 см из стеклокерамики (ситалла СО-115) с n=1,54 должно выполняться:
-1
α(λ)>10 см
В случае ситалла СО-115 такое условие справедливо, например, для λ=325 нм (длины волны генерации He-Cd лазера), что видно из графиков зависимости α(λ) и обратной ее функции, представленных соответственно на фиг. 1а и фиг. 1б.
Устройство (фиг. 2) работает следующим образом.
0
В качестве источника 1 ультрафиолетового излучения (УФ) используется непрерывный одномодовый He-Cd лазер с рабочей длиной волны λ=325 нм и средней мощностью излучения 10 мВт. Длина когерентности излучения составляет 300 мм. Первое 2 и второе 3 поворотные зеркала служат для направления лазерного пучка, сформированного короткофокусной линзой 4 и диафрагмой 5, на светоделитель 6. Он может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины, одна поверхность которой имеет просветляющее покрытие, а вторая - светоделительное покрытие с коэффициентом отражения около 50%. Поворот расходящегося излучения производит третье поворотное зеркало 7. Оно обеспечивает вертикальное падение параллельного пучка, сформированного коллиматором 8, на эталонную пластину 9, расположенную на пьезоэлектрическом актуаторе 10, и оптическую деталь (тестируемый образец) 11. Эталонная пластина 9 выполнена из плавленого кварца, имеет нижнюю рабочую поверхность с аттестованной плоскостностью около λ/20 и верхнюю грань с просветляющим покрытием на рабочей длине волны интерферометра. Коротковолновая граница спектральной области оптического пропускания этой пластины - λ=250 нм.
Лучи, отраженные от эталонной пластины 9 и контролируемой поверхности оптической детали, при обратном ходе возвращаются к светоделителю бис помощью объектива 12 формируют интерференционную картину полос равной толщины на фотоприемной матрице видеокамеры 13.
Сама эталонная пластина 9 расположена на пьезоэлектрическом актуаторе 10, который позволяет плавно перемещать ее вдоль оптической оси и производить процедуру фазовых сдвигов для построения рельефа исследуемой поверхности. При этом компьютер 14 по специальной программе управляет микроконтроллером актуатора 10 с синхронной регистрацией цифровых изображений последовательности интерферограмм.
На фиг. 3 представлена интерференционная картина тестируемого образца, наблюдаемая в интерферометре Физо на базе He-Cd лазера с длиной волны 325 нм. Образец - ситалловый диск толщиной d=0,7 см с полированными поверхностями и электродами, впаянными с обратной стороны по периметру сквозных отверстий. Для регистрируемых интерферограмм характерно полное отсутствие обсуждаемых выше помех, в том числе и в областях с припоем на обратной стороне детали (зонах с повышенным отражением). Это позволяет строить 3D профиль поверхности по стандартной процедуре фазовой развертки с компьютерным анализом последовательности цифровых изображений. Результат измерений представлен на фиг. 4.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа достигается расширение арсенала технических средств, используемых при измерении профилей поверхности оптических деталей с помощью лазерной фазосдвигающей интерферометрии, и требуемый технический результат, заключающийся в повышении достоверности и точности измерений и повышении производительности.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Г.Э. Романова, М.А. Парпин, Д.А. Серегин. Конспект лекций по курсу «Компьютерные методы контроля оптики». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 185 с.
2. US 5473434, 05.12.1995. P.de Groot. Phase shifting interferometer and method for surface topography measurement.
3. US 6359692, B1, 19.03.2002. P.de Groot. Method and system for profiling objects having multiple reflective surfaces using wavelength-tuning phase-shifting interferometry.
4. Н.В. Тихменев, С.А. Закурнаев, А.В. Озаренко, В.С. Быстрицкий, С.А. Мягков, Р.А. Столяров, К.Е. Чечетов, С.Е. Коршунов. Влияние методов обработки и очистки ситалла СО-115М на прочность оптического контакта. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №4, стр. 613-619
5. P. de Groot. Principles of interference microscopy for the measurement of surface topography. Advances in Optics and Photonics. V. 7, No1, 1-65 (2015)
6. J. Heil, T. Bauer, S. Schmax, Th. Sure, J. Wesner. Phase shifting Fizeau interferometry of front and back surfaces of optical flats. Applied Optics. Vol.46, No. 22, 2007, p. 5282-5292 - прототип.
7. Г.С. Ландсберг.Оптика. 6-е изд., - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. - 848 с