Исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики

В настоящее время важность высокоточных и достоверных измерений в современных науке и технике с каждым годом возрастает [1]. Особое место в получении этих измерений занимают методы оптического контроля. Для решения ряда задач измерения эти методы единственно возможны. Их отличие от контактных методов, прежде всего, в отсутствии материальных контактов с исследуемой поверхностью предметов [2].

Среди оптических методов наиболее перспективными являются методы когерентной оптики, а именно интерференционные методы [3]. На сегодняшний день направление использования интерференционных приборов и систем значительно расширилось благодаря развитию компьютерной техники и созданию новых источников света (лазеров, суперлюминесцентных диодов, диодов белого света и т.д.) [4].

Оптические приборы и системы для контроля качества поверхностей различной оптической формы основаны на регистрации светового пучка, отраженного от исследуемой поверхности [5]. Поверхности оптических деталей представляют собой формы сферы (сферические зеркала, линзы и т.д.) и формы плоскости (поверхности призм, плоские зеркала, полупрозрачные стеклянные пластины, поверхности оптических клиньев и т.д.) [6].

Эти поверхности могут иметь погрешности по кривизне или плоскостности. Допуски на эти погрешности задаются количеством интерференционных полос или их долей.

Для контроля плоскостности оптических поверхностей, а также для измерения концевых мер преимущественно применяют интерферометр Физо [7]. Интерферометр Физо представляет разновидность многолучевых интерферометров, в котором интерференция происходит в воздушном зазоре между двумя отражающими поверхностями [8]. Этот прибор имеет общий ход световых лучей до полупрозрачной эталонной поверхности.

Анализ литературных данных показал, что наиболее универсальным методом контроля плоскостности объектов является бесконтактный метод измерений с применением интерферометра Физо, т.к. он исключает основной недостаток метода пробных стекол — материальный контакт эталонной и исследуемой поверхностей [9].

Поэтому может представлять интерес исследование оптических поверхностей светоделителей (полупрозрачных плоских зеркал), созданных для интерферометров различного назначения. В связи с разработкой большого числа различных оптических деталей для высокоточных оптических приборов и систем важное значение приобретает рассмотрение вопросов контроля качества оптических поверхностей.

Целью работы явилось исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для высокоточных интерферометрических приборов и комплексов светоделитель (лучевой делитель) является одним из основных конструктивных элементов [10–15]. И от того, какая плоскостность оптической поверхности лучевого делителя, зависят достоверность, информативность и высокоточность измерений. На российском рынке оптотехнической продукции одними из основных поставщиков являются компании АО "ЛО-МО" и "Thorlabs" (USA). Эти компании выпускают светоделительные пластины из кварцевого стекла и плавленого кварца различного назначения. В настоящей работе была поставлена задача провести сравнительную оценку плоскостности оптических поверхностей светоделителей компаний "ЛОМО" и "Thorlabs". Для исследований применялась экспериментальная установка, где основным измерительным блоком являлся интерферометр Физо.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследования были следующие лучевые делители:

– делитель компании "Thorlabs" из кварцевого стекла диаметром 50.8 мм, толщиной 8 мм, 90/10 (отражение / пропускание), просветляющее покрытие 400–700 нм;

– делитель компании "ЛОМО" диаметром 30 мм, толщиной 5 мм, 90/10 (отражение / пропускание), покрытие с тыльной стороны тонкой пленкой серебра толщиной 500–600 нм.

Объекты исследования были предоставлены ООО "Оптико-электронные приборы" (г. Санкт-Петербург).

Высокая чувствительность к вибрации двухлучевых интерферометров дала толчок к поиску и построению новых схемных решений этих приборов. Именно в интерферометре Физо этот недостаток снижен.

Для контроля плоских поверхностей преимущественно применяют интерферометр Физо. В его схеме объектная ветвь, в которой находится исследуемый объект, совмещена с опорной ветвью, где расположена образцовая (эталонная) поверхность, формирующая опорный волновой фронт. Такая схема работает благодаря проходящему свету через эталонную поверхность.

На рис. 1 представлена оптическая схема интерферометра Физо. В качестве эталонной поверхности используется фронтальная поверхность клиновидной пластины, выполненная с образцовой точностью на уровне 1/20 λ . При измерениях на экспериментальной установке возникала дополнительная интерференция при отражении светового луча от обратной, нерабочей поверхности эталона. Это существенно влияло на точность

Рис. 1. Оптическая схема интерферометра Физо.

1 — источник когерентного излучения; 2 — микрообъектив; 3 — светоделитель; 4 — коллимирующий объектив; 5 — клиновидная пластина с эталонной поверхностью; 6 — контролируемая поверхность образца; 7 — плоскость наблюдения

измерений. Для устранения влияния дополнительной интерференции была взята пластина, где нерабочая поверхность ее была выполнена с клино-видностью порядка 1 мм [15–20]. Данное решение позволило исключить побочную интерференцию от обратной поверхности эталона, что привело к максимальной информативности основной интерференционной картины.

Свет от когерентного источника 1 (ЛГ-79-1, He-Ne лазер с λ = 0.63 мкм, P = 15 мВт и l c = 1.5 м) собирается и фокусируется микрообъективом 2. В фокусе микрообъектива установлена точечная диафрагма, которая отсекает пространственные частоты и улучшает однородность светового пучка. Далее световой пучок преобразуется в расходящийся, который после светоделителя 3 преобразуется в коллимирующий объективом 4. Параллельный пучок лучей, вышедший из объектива 4, отражается от верхней плоскости поверхности контролируемого образца 6 и от нижней плоскости поверхности эталона 5. В обратном ходе лучи, пройдя объектив 4 и отразившись от светоделителя, формируют интерференционную картину полос равной ширины в плоскости наблюдателя 7. Ширину и направление полос регулируют перемещениями микрометрического стола.

Технико-эксплуатационные характеристики экспериментальной установки:

– предельная инструментальная погрешность                   — λ /20;

– апертура проверяемых поверхностей не более            — 0.25;

– числовая апертура объектива      — 0.2;

– пределы перемещения интерференционной головки по 3 осям, мм                    — ± 10;

– приемники изображения

— фотокамера "Зенит"

и цифровая камера ToupCam;

– источник света          — лазер ЛГ-79-1;

– длина волны излучения, мкм — 0.63; – габаритные размеры, мм — 700×350×520; – масса, кг                           — 60.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Для экспериментальных исследований использовалась установка на базе интерферометра Физо, внешний вид которой показан на рис. 2. На экспериментальной установке были получены поочередно интерферограммы поверхностей исследуемых лучевых делителей разных производителей. На рис. 3 приведены результаты съемок. В процессе измерений необходимо было получить информацию о деформации исследуемых волновых

Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки фронтов двух светоделительных пластин [20–25]. Полученные интерферограммы были обработаны специальной компьютерной программой Master Zebra.

Master Zebra предназначена для сбора и обработки информации с записанных интерферограмм на фотопленку и получения данных об отклонении исследуемых волновых фронтов. Изображения интерферограмм были преобразованы в графический формат файлов (tiff). Далее эти форматы вводились в Master Zebra и подлежали фильтрации для устранения шумов. Программа автоматически определяла контуры изображений и линию сканирования. Основным этапом обработки явилась расстановка контурных точек на интерференционных полосах (светлых), чтобы не зависеть от уровня шумов и яркости интерференционных полос. Программой была проведена аппроксимация функции деформации волнового фронта по полиномам Цернике. После чего программа выводила на дисплей основные параметры деформации:

Рис. 3. Интерферограммы оптических поверхностей.

а — светоделитель отечественного производства; б — светоделитель компании "Thorlabs"

размах ( S ), максимум ( Max ), минимум ( Min ) и среднее квадратичное отклонение ( σ ).

Итак, для светоделителя марки "Thorlabs":

S = 0.155130 мкм, Max = 0.097561 мкм, Min = = 0.051314 мкм, σ = 0.050138 мкм.

Для светоделителя отечественной продукции:

S = 0.111891 мкм, Max = 0.068121 мкм, Min = = 0.039289 мкм, σ = 0.039121 мкм.

Плоские поверхности контролировались экспериментальной установкой с точностью не хуже 0.05 λ.

Информация, полученная по геометрическим параметрам поверхностей оптических деталей, говорит о том, что применять в качестве базового элемента в интерферометрах следует лучевые делители отечественного производства.

Экспериментальная установка позволяла получить данные об отражательном покрытии исследуемых образцов. Для проведения этих измерений использовалась программа Gold Soft Wear Interferometer. Эта программа позволяла получать данные о зависимости коэффициента отражения от перемещения исследуемого образца по координатам x и y . На рис. 4 показаны зависимости коэффициента отражения по продольным и поперечным смещениям образцов. Анализируя графические зависимости, можно сделать следующий вывод, что у образца отечественного производства значения коэффициента отражения были близки к максимальным, а само распределение носило равномерный характер. Образец импортного производства также имел большие значения коэффициента отражения, но кривая распределения имела незначительные всплески. А это означает, что у первого образца качество поверхности отражения выше, чем у второго. Видимо, это связано с более крупным зерном отражающего слоя.

Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения K от перемещения исследуемого образца по координатам x (а) и y (б).

1 — светоделитель отечественного производства;

2 — светоделитель компании "Thorlabs"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные экспериментальные результаты измерений оптических поверхностей деталей значимы при построении схем двухлучевых и многолучевых интерферометров. Проведенный сравнительный анализ двух светоделителей показал, что оба образца могут быть использованы в различных оптических приборах в зависимости от поставленных задач.

Данная работа представляет интерес как для проектировщиков оптических приборов, так и для дальнейших научных исследований оптических деталей различного назначения.