ДИФРАКЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01B9/02 G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для точного бесконтактного контроля формы вогнутых поверхностей (непокрытых и зеркальных) второго порядка в лабораторных и производственных условиях оптического приборостроения. В дальнейшем, для краткости, указанные поверхности будут называться также зеркалами.

Известен дифракционный интерферометр с общим ходом лучей, в котором совмещены референтные и измерительные плечи [1]. Интерферометр содержит последовательно расположенные на главной оптической оси контролируемую поверхность, зонную пластинку, светоделитель, диафрагму, регистрирующее устройство, осветитель, расположенный на оптической оси, перпендикулярной главной оптической оси, и состоящий из источника света и объектива, формирующего сходящийся пучок лучей. Схема интерферометра принципиально не изменится, если осветитель расположить на главной оптической оси, а регистрирующее устройство - на перпендикулярной к ней оси. Входной пучок разделяется зонной пластинкой на несколько дифракционных порядков. Из них один, фокусирующийся в центре контролируемой поверхности, образует референтный пучок, а другой, заполняющий апертуру этой поверхности, - измерительный пучок. После отражения от зеркала эти пучки проходят через зонную пластинку и формируют интерференционную картину, воспринимаемую регистрирующим устройством. По форме полос в интерференционной картине можно судить об аберрациях поверхности. Схемы интерферометров классифицируются в [1] в зависимости от положения контролируемой поверхности относительно зонной пластинки: 1-я модификация соответствует положению центра кривизны поверхности в центре зонной пластинки, 2-я и 3-я модификации - положениям центра кривизны в -1-м и +1-м фокусах зонной пластинки, соответственно.

Дифракционные интерферометры с общим ходом лучей, в отличие от других интерферометров, предназначенных для контроля формы поверхностей, не требуют эталонных поверхностей сравнения, дорогостоящих и крупногабаритных объективов и светоделителей; мало подвержены температурным колебаниям окружающей среды и механическим вибрациям. Указанные характеристики делают такие интерферометры привлекательными для лабораторного и производственного контроля деталей с поверхностями второго порядка, которые имеют широкое распространение в оптическом приборостроении. Известный промышленный интерферометр аналогичного назначения (типа Физо фирмы "Zygo" [2]) имеет большие габариты, требует стабильных температурных условий и изоляции от механических вибраций. Этот прибор применяется в лабораторных условиях как образцовый. Дифракционные интерферометры и интерферометры типа Физо для контроля формы поверхностей отечественная промышленность не изготавливает.

Дифракционный интерферометр, в котором центр кривизны контролируемой поверхности совпадает с центром зонной пластинки (1-я модификация), является наиболее близким к предлагаемому интерферометру по технической сущности. В этой схеме в центре поля интерференции наблюдается максимум интенсивности (светлая полоса), что снижает влияние нерабочих дифракционных порядков по сравнению с другими схемами (2-я и 3-я модификации), в которых центральная полоса темная. Схемы 1-й модификации не требуют высокого качества изготовления оптических элементов интерферометра и могут работать с когерентными и некогерентными источниками света. Последнее объясняется тем, что в них интерферируют неинвертированные волновые фронты. В схемах 2-й и 3-й модификаций, напротив, интерферируют инвертированные фронты, т. е. перевернутые один относительно другого на 180°, поэтому к оптическим деталям и источникам света предъявляются более жесткие требования.

При наличии достоинств, присущих схемам 1-й модификации, они имеют ряд недостатков. Здесь точка фокусировки измерительного пучка не совпадает с центром кривизны контролируемой поверхности, т.е. тестирование производится не из центра кривизны. Последнее обстоятельство приводит к возникновению инструментальной погрешности. Кроме того, нежелательные дифракционные порядки, формируемые зонной пластинкой в отраженном и проходящем свете, вносят в интерференционное поле помехи и искажения. В результате снижается контраст интерференционных полос и затрудняется расшифровка интерферограмм. Недостатком схемы является также неопределенность места локализации полос и невозможность отнести результат измерения к конкретной точке контролируемой поверхности.

Предлагаемым изобретением решаются задачи повышения точности, надёжности и помехозащищённости измерений при контроле формы вогнутых поверхностей второго порядка. Для решения поставленной задачи в дифракционный интерферометр, содержащий последовательно расположенные на главной оптической оси контролируемую поверхность, зонную пластинку, центр которой совпадает с центром кривизны контролируемой поверхности, светоделитель, диафрагму, регистрирующее устройство (например, фотоматрицу), осветитель, оптическая ось которого перпендикулярна главной оптической оси, и состоящий из источника света и объектива, формирующего сходящийся пучок лучей, вводится фазовая пластинка λ/4 между зонной пластинкой и контролируемой поверхностью и устанавливается проекционный объектив между выходной диафрагмой и регистрирующим устройством. При этом в 1-м варианте в качестве светоделителя применяется поляризационный кубик. Во 2-м варианте светоделитель выполняется в виде полупрозрачного зеркала, наклоненного под углом 45° к оптической оси, или неполяризационного кубика, а между проекционным объективом и регистрирующим устройством вводится поляроид. В обоих вариантах интерферометра с целью снижения инструментальной погрешности фокусное расстояние f зонной пластинки выбирается из соотношения, предложенного авторами,

где Δ - допустимая инструментальная погрешность, D и R - диаметр и радиус кривизны контролируемой поверхности.

Отличительными признаками предлагаемых интерферометров, по сравнению с известным интерферометром [1], наиболее близким к ним, являются введение фазовой пластинки λ/4 между контролируемой поверхностью и зонной пластинкой, установление проекционного объектива между выходной диафрагмой и регистрирующим устройством и выбор фокусного расстояния f зонной пластинки согласно предлагаемому авторами соотношению , где Δ - допустимая инструментальная погрешность, D и R - диаметр и радиус кривизны контролируемой поверхности.

Кроме того, для 1-го варианта интерферометра отличительными признаками являются выполнение светоделителя в виде поляризационного кубика, что позволяет использовать для интерферометра как источники с поляризованным светом (лазер), так и с неполяризованным (лампа накаливания), и ориентация осей фазовой пластинки под углом 45° к вектору поляризации светоделительного кубика. Для 2-го варианта интерферометра, работающего только с поляризованным светом, дополнительными отличительными признаками являются введение поляроида между объективом и регистрирующим устройством, выполнение светоделительного элемента в виде полупрозрачного зеркала или неполяризационного кубика и ориентация осей фазовой пластинки под углом 45° к вектору поляризации входящего излучения.

Благодаря введению фазовой пластинки λ/4 устраняются отраженные дифракционные порядки, создающие нежелательную модуляцию интенсивности в интерференционной картине. Установка объектива за диафрагмой позволяет совмещать изображение интерференционного поля с изображением контролируемой поверхности, что приводит к увеличению контраста полос и повышению точности измерения аберраций в конкретных точках поверхности. Применение зонных пластинок, фокусное расстояние которых согласовано с параметрами контролируемой поверхности, т.е. выполнено в соответствии с соотношением , приводит к снижению инструментальной погрешности до допустимого уровня Δ.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими материалами.

Фиг.1 и фиг.2 - оптические схемы соответственно 1-го и 2-го вариантов предлагаемого дифракционного интерферометра.

Фиг.3 (поз. 1, 2) - интерферограммы, характеризующие влияние выбора фокусного расстояния f зонной пластинки на инструментальную погрешность (поз. 1 соответствует f=50 мм, поз. 2 - f=25 мм).

Фиг. 4 - интерферограммы, полученные на интерферометре фирмы "Zygo" (поз. 1, 3, 5) и на дифракционном интерферометре (поз. 2, 4, 6).

Фиг. 5 - фотография прибора.

В схеме 1-го варианта (фиг.1) 1 - источник света, 2 - объектив, 3 - поляризационный светоделительный кубик, 4 - зонная пластинка, 5 - контролируемая поверхность (зеркало), 6 - фазовая пластинка λ/4, 7 - выходная диафрагма, 8 - проекционный объектив, 9 - фотоматрица.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В интерферометр поступает сходящийся пучок лучей, формируемый объективом 2 от источника света 1 и отражаемый светоделительным кубиком 3. Часть пучка, образующая референтную волну, проходит через зонную пластинку 4 без отклонения (0-й порядок дифракции [0]) и фокусируется в центре (точка A₁) контролируемой поверхности (зеркала) 5. Другая часть, образующая измерительную волну, дифрагирует в +1-й порядок [+1], фокусируется в промежуточной точке A₂ и затем расходящимся пучком заполняет апертуру зеркала. После отражения от зеркала оба пучка возвращаются к зонной пластинке, при этом референтный пучок дифрагирует в +1-й порядок [0, +1], а измерительный проходит без отклонения [+1, 0]. Если расстояние между зонной пластинкой и зеркалом точно равно радиусу кривизны последнего, то оба пучка после пластинки фокусируются в одной и той же точке А₃ и полосы в интерференционной картине имеют бесконечную ширину (равномерное светлое поле). При небольших смещениях зеркала поперек или вдоль оптической оси наблюдаются полосы конечной ширины или кольца, соответственно. Поле интерференции, локализованное в плоскости зеркала, изображается на фотоматрицу 9 с помощью объектива 8. Одновременно на фотоматрицу проектируется изображение поверхности зеркала, что позволяет точно соотносить результат измерения с определенным местом на поверхности зеркала. В плоскости выходных зрачков, т.е. сфокусированных референтного [0, +1] и измерительного [+1, 0] пучков, установлена диафрагма 7, экранирующая частично нерабочие дифракционные порядки в проходящем свете [0, 0], [+1, -1] и [-1, +1]. Эти порядки существенно ослабляются диафрагмой и практически не искажают результат измерения, т.к. проектируются на светлую интерференционную полосу в центре картины. Отраженные 0-й и +1-й порядки устраняются следующим образом. После отражения от поляризационного кубика 3 световой пучок становится поляризованным с вектором поляризации, перпендикулярным плоскости чертежа (фиг.1). Внутри интерферометра рабочие пучки (референтный и измерительный) дважды проходят фазовую пластинку 6 и их векторы поляризации поворачиваются на 90°. В обратном направлении поляризационный кубик 3 пропускает рабочие пучки, прошедшие интерферометр, и задерживает отраженные от зонной пластинки дифракционные порядки, у которых вектор поляризации не изменяется.

В схеме 2-го варианта интерферометра (фиг.2) применяется источник света (12) с линейной поляризацией, вектор которой ориентирован перпендикулярно плоскости чертежа (фиг.2), а светоделитель выполняется в виде неполяризационного кубика или полупрозрачного зеркала 10. В этой схеме помимо элементов, перечисленных в 1-м варианте и имеющих одинаковые обозначения, между объективом 8 и фотоматрицей 9 дополнительно вводится поляроид 11, ось поляризации которого перпендикулярна вектору поляризации входного излучения. Внутри интерферометра, так же как в 1-м варианте, плоскости поляризации рабочих (референтного и измерительного) пучков поворачиваются на 90°. В обратном направлении светоделитель 10 пропускает в сторону фотоматрицы 9 все выходящие пучки: рабочие и отраженные от зонной пластинки, но через поляроид 11 проходят только первые, а отраженные, у которых вектор поляризации остается таким же, как у входящего пучка, задерживаются.

В обоих вариантах интерферометра инструментальная погрешность снижается до допустимого уровня за счет согласования фокусного расстояния зонной пластинки с параметрами контролируемой поверхности. Покажем это на примере сферического зеркала. Известно, если предмет (точечный источник) расположен не в центре кривизны зеркала, то возникают сферические аберрации. В нашем случае (фиг.1 и фиг.2) предметом и изображением для зеркала являются точки А₂ и А₃, расположенные от него на расстояниях S₁=R-S₂ и S’1

где u - радиальная координата на поверхности зеркала, R - радиус кривизны зеркала.

Для зонной пластинки, как изображающего элемента (линзы), предметом и изображением являются точки A₁ и A₂, расположенные от неё на расстояниях R и S₂. На основании формул геометрической оптики, связывающих эти расстояния с фокусным расстоянием f зонной пластинки, имеем S₂=fR/(R+f). Подставляя последнее соотношение в (1), получаем

Аберрации, вносимые собственно зонной пластинкой, зависят только от ее положения в схеме интерферометра. В измерительном и референтном пучках зонная пластинка работает как положительная линза, но в первом случае в сходящемся, а во втором в расходящемся пучке. Дифракционная структура пластинки может быть произвольной, например, френелевской, в которой радиусы зон пропорциональны корням квадратным из целых чисел. В последнем случае зонная пластинка вносит в измерительный пучок аберрации δ_pt, а в референтный - δ_pr, равные [4]

где ρ - радиальная координата на зонной пластинке, R - расстояние от зонной пластинки до предметной точки, равное радиусу кривизны зеркала. Принимая во внимание, что ρ=uf/R, из (3) и (4) следует, что разность аберраций δ_p, вносимых зонной пластинкой в измерительный и референтный пучки, равна

На основании (2) и (5) общая волновая аберрация схемы (полная инструментальная погрешность δ) будет выражаться соотношением

Из (6) следует, что в центре зеркала (u=0) аберрация равна нулю, а в крайних точках, т.е. при u=u_a=D/2 (D, u_a - диаметр и радиус поверхности зеркала), достигает максимального значения. Путем небольшой расфокусировки, а именно смещением зеркала вдоль оси, можно ввести дополнительную разность хода в интерферирующие пучки и скомпенсировать аберрацию в крайних точках апертуры зеркала также до нулевого значения.. При этом максимальное значение аберрации (минимизированная инструментальная погрешность δ_maх) наблюдается при u = 0,707(D/2) и равняется

Из сравнения (6) при u=u_a и (7) видно, что знак максимальной погрешности изменяется на обратный, а величина уменьшается в 4 раза. Операция расфокусировки аналогична переходу от сравнения контролируемой поверхности с "вершинной" сферой к сравнению с ближайшей сферой, принятому в обычных методах контроля формы поверхностей по пробному стеклу.

Из (7) следует, что инструментальная погрешность δ_max по абсолютной величине не будет превышать допустимой погрешности Δ, если фокусное расстояние f зонной пластинки соответствует соотношению

При контроле параболической поверхности инструментальная погрешность δ и максимальная δ_max определяются из соотношений

Если фокусное расстояние зонной пластинки соответствует (8), то вторая часть соотношения (10), представляющая минимизированную инструментальную погрешность интерферометра при контроле сферической поверхности, будет пренебрежимо мала по сравнению с первой. При этом условии δ_max фактически совпадает с выражением максимального отклонения идеальной параболической поверхности от сферы (первая часть соотношения (10)), которое используется при обычном контроле парабол по сферическому пробному стеклу. Разность между измеренным значением отклонения и расчетным, полученным на основании (10), будет характеризовать погрешность изготовления поверхности. Аналогичные рассмотрения можно провести относительно возможности применения дифракционного интерферометра для контроля других видов поверхностей второго порядка.

На основе 1-го варианта предлагаемой оптической схемы (фиг.1) в Институте автоматики и электрометрии СО РАН разработан дифракционный интерферометр для контроля вогнутых поверхностей и зеркал второго порядка в лабораторных и производственных условиях (фиг.5). Испытания интерферометра показали, что он легко настраивается и может надежно работать с когерентными (He-Ne или полупроводниковый лазер) и некогерентными (лампа накаливания) источниками света. Интерференционные полосы имеют высокий контраст, не искажаются отраженными бликами и не подвержены механическим вибрациям. При фокусном расстоянии зонной пластинки f, равном 25 мм, инструментальная погрешность не превышает 0,01-0,05 интерференционной полосы (0,003-0,015 мкм) в интервале относительных апертур зеркал D/R=1/10-1/5, соответственно, что удовлетворяет допустимым погрешностям оптического производства.

На фиг.3 представлены интерферограммы (фотографии интерференционного поля), иллюстрирующие влияние выбора фокусного расстояния f зонной пластинки на инструментальную погрешность δ_max. Интерферограммы получены для идеальной сферической поверхности с параметрами: R=781,3 мм и D=120 мм. В качестве источника света применялся полупроводниковый лазер с длиной волны излучения λ=0,65 мкм. В первом случае (поз.1) f=50 мм и наблюдается изгиб в ~0,2 полосы, что свидетельствует о наличии инструментальной погрешности, соответствующей соотношению (7). Во втором случае (поз. 2) f соответствует соотношению (8), полосы прямые, как и должно быть для идеальной (безаберрационной) поверхности. На фиг.4 представлены интерферограммы двух сферических (поз. 1, 2 и 3, 4) и одной параболической (поз. 5, 6) поверхностей, погрешности изготовления которых контролировались на промышленном интерферометре фирмы "Zygo" (поз. 1, 3, 5) и на разработанном дифракционном интерферометре (поз. 2, 4, 6). Из сравнения интерферограмм, полученных на двух интерферометрах для одних и тех же поверхностей, видно, что форма полос на них идентичная, т.е. результат измерения на дифракционном интерферометре можно считать достоверным.

Таким образом, в предлагаемом дифракционном интерферометре снижена инструментальная погрешность путем применения зонной пластинки с фокусным расстоянием, значение которого согласовано с параметрами контролируемой поверхности, достигнут высокий контраст интерференционной картины благодаря применению проекционного объектива, фокусирующего на фотоматрицу одновременно интеференционную картину и контролируемую поверхность, и устранены отраженные дифракционные порядки и яркие блики с помощью поляризационной оптики. Указанные технические решения позволяют повысить точность, надежность и помехозащищённость измерений при контроле погрешности изготовления вогнутых поверхностей и зеркал второго порядка в лабораторных и производственных условиях оптического приборостроения.

Источники информации

1. R.N.Smartt, "Zone Plate Interferometer", Appl. Opt. 13, 1093-1099 (1974).

2. Оптический производственный контроль./Под ред. Д. Малакары. М.: Машиностроение, 1985.

3. Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976.

4. Г.А.Ленкова. "К вопросу о безаберрационных дифракционных линзах", Автометрия, 3, 126-131 (2000).

Дифракционный интерферометр для контроля формы вогнутых поверхностей и зеркал второго порядка содержит последовательно расположенные на главной оптической оси контролируемую поверхность, фазовую пластинку λ/4, зонную пластинку, центр которой совпадает с центром кривизны контролируемой поверхности, светоделитель, выполненный в виде поляризационного кубика, выходную диафрагму, проекционный объектив, регистрирующее устройство. Также содержит осветитель, оптическая ось которого перпендикулярна главной оптической оси, и состоящий из источника света и объектива, формирующего сходящийся пучок лучей. Оси фазовой пластинки λ/4 ориентированы под углом 45° к вектору поляризации светоделительного кубика. Технический результат - повышение точности, надежности и помехозащищенности измерений при контроле погрешности изготовления поверхностей второго порядка. 2 н. п. ф-лы, 5 ил.

1. Дифракционный интерферометр для контроля формы вогнутых поверхностей и зеркал второго порядка, характеризующийся последовательным расположением на главной оптической оси контролируемой поверхности, фазовой пластинки λ/4, зонной пластинки, центр которой совпадает с центром кривизны контролируемой поверхности, светоделителя, выполненного в виде поляризационного кубика, выходной диафрагмы, проекционного объектива, регистрирующего устройства, наличием осветителя, оптическая ось которого перпендикулярна главной оптической оси, и состоящего из источника света и объектива, формирующего сходящийся пучок лучей, при этом оси фазовой пластинки λ/4 ориентированы под углом 45° к вектору поляризации светоделительного кубика, а фокусное расстояние f зонной пластинки выбирается из соотношения

где Δ - допустимая инструментальная погрешность;

D и R - диаметр и радиус кривизны контролируемой поверхности.

где Δ - допустимая инструментальная погрешность;

D и R - диаметр и радиус кривизны контролируемой поверхности.