Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование возможности контроля формы и качества поверхностей крупногабаритных оптических элементов на стадиях шлифования интерференционным методом . 10
1.1. Анализ существующих схем построения интерференционных систем контроля формы крупногабаритных оптических деталей 10
1.1.1. Обоснование выбора рабочей длины волны излучения в лазерном интерферометре для контроля оптических деталей на стадиях шлифования 25
1.2. Исследование характеристик оптических шероховатых поверхностей 29
1.3.Статистический анализ профилей оптических шероховатых поверхностей 41
1.4. Анализ процесса рассеяния монохроматической волны шероховатой оптической поверхностью 48
1.5. Исследование процесса интерференции при контроле оптических шероховатых поверхностей
в неравноплечем интерферометре Тваймана - Грина 63
ГЛАВА 2. Анализ процесса формирования спекл структуры и её влияние на качество изображения интерференционной картины, формируемой лазерным интерферометром . 77
2.1. Анализ процесса формирования спекл структуры в изображении интерференционной картины 78
2.2. Анализ статистических характеристик спекл - структуры в изображении интерференционной картины 82
2.3. Исследование влияния временной когерентности лазерного излучения на контраст спекл - структуры интерференционной картины. 92
2.4. Исследование возможности повышения качества изображения интерференционных картин за счёт подавления спекл - шума 104
ГЛАВА 3. Разработка опытного образца лазерного ик-интерферометра и анализ результатов его экспериментальных исследований . 119
3.1. Разработка компоновочной схемы и технического облика макетного образца лазерного интерферометра для контроля формы и качества оптических шлифованных поверхностей 120
3.2. Разработка оптической схемы макетного образца неравноплечего лазерного ИК - интерферометра Тваймана - Грина 129
3.3. Анализ результатов измерений форм шлифованных оптических поверхностей при помощи макетного образца лазерного ИК - интерферометра 153
3.4. Методика измерений параметров микронеровностей контролируемых шлифованных оптических поверхностей при помощи макетного образца лазерного ИК — интерферометра 164
Выводы и заключение 170
Список литературы 173
- Исследование характеристик оптических шероховатых поверхностей
- Анализ статистических характеристик спекл - структуры в изображении интерференционной картины
- Разработка оптической схемы макетного образца неравноплечего лазерного ИК - интерферометра Тваймана - Грина
- Методика измерений параметров микронеровностей контролируемых шлифованных оптических поверхностей при помощи макетного образца лазерного ИК — интерферометра
Введение к работе
1. Актуальность работы
В настоящее время во многих странах мира идёт интенсивное создание и строительство астрономических телескопов наземного и космического базирования, которые предназначены для принципиально новых астрофизических исследований. Главными оптическими компонентами таких телескопов являются крупногабаритные вогнутые зеркала со сферическими и асферическими рабочими поверхностями.
Изготовление такого зеркала связано с серьёзными технологическими трудностями, так как при размерах рабочей поверхности несколько десятков квадратных метров необходимо обеспечить погрешность формы зеркала, не превышающую нескольких сотых длины волны света.
Решение этой задачи достигается в процессе оперативного контроля изготавливаемой поверхности, на всех стадиях обработки, причём финишный контроль осуществляется на стадиях полирования высокоточными интерференционными методами.
При наличии местных ошибок полированную поверхность приходится целиком перешлифовывать, а затем снова подвергать полированию и интерференционному контролю. Понятно, что такой итерационный технологический режим требует большого времени обработки, существенных трудозатрат и является экономически невыгодным.
В последнее время были предприняты попытки использования лазерных интерференционных методов контроля формы поверхности изготавливаемых зеркал на стадиях шлифования.
Следует отметить, что в этом случае нельзя применять существующие интерферометры, работающие в видимой области спектра, из - за сильного рассеяния излучения на шероховатых поверхностях, вызывающего разрушение пространственной когерентности и, как следствие, низкое качество интерференционной картины. В результате появились сообщения о создании лазерных ИК - интерферометров, у которых длина волны рабочего излучения существенно превышает величину микронеровностей шлифованной оптической поверхности. При этом удаётся получить качественную интерференционную картину.
Работы в указанном направлении ведутся и в нашей стране, и за рубежом. Среди отечественных организаций следует отметить ОАО «ЛЗОС», ФГУП «НПО Оптика», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФГУП «НПК «ГОИ им. СИ. Вавилова», а среди зарубежных фирм - «Precision - Optical Engineering»,«Zygo», «Fisba Optik».
Ряд вопросов, связанных с контролем формы зеркал ИК - интерферометрами, рассматривался в работах отечественных специалистов - М.А. Абдулка-дырова, А.В. Подобрянского, В.А. Горшкова и зарубежных - О. Квона, М. Лат-та, К. Синха, К. Верма.
Вместе с тем в указанных работах отмечалось, что качество зарегистрированных интерференционных картин во многих случаях было недостаточно
высоким, в первую очередь, из - за низкого контраста, малого разрешения и сильного влияния спекл - структуры, формирующейся при отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности. Кроме того отсутствие научно обоснованных требований к качеству интерференционной картины, обусловленных принятым алгоритмом обработки и расшифровки интерферограмм, затрудняло выработку исходных данных на проектирование лазерных ИК - интерферометров.
Другая важная задача связана с необходимостью оперативного контроля лазерным ИК - интерферометром не только формы, но и качества (степени шероховатости) обрабатываемой шлифованной оптической поверхности. Решение этой задачи позволит автоматизировать процесс своевременного перехода со стадии грубого шлифования на последующие стадии среднего и тонкого шлифований обрабатываемых поверхностей, а также существенно сократить время технологического процесса обработки контролируемых поверхностей крупногабаритных оптических деталей за счёт устранения операции измерения шероховатости контактными профилометрами.
В этой связи тема диссертационной работы, посвященной разработке методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования, является важной и актуальной.
Цель диссертационной работы и задачи исследований
Целью диссертационной работы является разработка методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научно - технические задачи:
Обоснование метода лазерной интерферометрии и модифицированной функциональной схемы ИК - интерферометра Тваймана - Грина для контроля формы и качества оптических поверхностей на стадиях шлифования.
Исследование статистических характеристик оптического поля, рассеянного шероховатой поверхностью, в плоскости анализа и определение среднего значения распределения интенсивности в интерференционных кольцах (полосах).
Разработка метода измерений степени шероховатости шлифованных поверхностей на основе зависимости контраста интерференционных картин от параметров микронеровностей.
Анализ процесса формирования спекл - структуры в интерференционной картине и разработка метода повышения качества изображения интерференционной картины за счёт подавления спекл - структуры.
Исследование влияния временной когерентности лазерного источника излучения на контраст изображения и уровень спекл - шума регистрируемой интерференционной картины.
Создание макетного образца неравноплечего лазерного ИК - интерферометра Тваймана - Грина для контроля формы и качества оптических поверхностей
крупногабаритных зеркал астрономических телескопов на стадиях шлифования и проведение экспериментальных исследований.
Методы исследований
При решении поставленных задач использованы методы статистической оптики, теории рассеяния электромагнитного излучения шероховатыми оптическими поверхностями, модель случайного фазового экрана, аппарат корреляционных функций случайных полей, элементы теории оптических и оптико-электронных систем.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Разработан и научно обоснован метод определения параметров микронеровностей шлифованных оптических поверхностей по измерению контраста регистрируемых изображений интерференционных картин.
Разработан метод повышения качества изображения интерферограмм, основанный на подавлении спекл - структуры в изображении и реализующий 4-х этапный алгоритм цифровой обработки изображения для последующего извлечения информации о среднеквадратическом отклонении (СКО) высот микронеровностей контролируемых оптических поверхностей на стадиях шлифования.
Разработана методика проектирования оптических систем объективов осветительной и регистрирующей ветвей ИК - интерферометра, изготовленных из материалов Ge и ZnSe.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана модифицированная функциональная схема неравноплечего интерферометра Тваймана - Грина, реализующая компактную конструкцию прибора и позволяющая контролировать сферические зеркала с радиусом кривизны до 20 м и относительным отверстием 1: 2,5 при использовании только одного эталонного зеркала, а асферические зеркала - с помощью компенсатора волнового фронта.
Создан и испытан в цеховых условиях макетный образец лазерного ИК - интерферометра, позволяющий определять с высокой точностью форму и качество (степень шероховатости) поверхностей контролируемых крупногабаритных оптических деталей на стадиях шлифования.
Экспериментально подтверждена возможность контроля в цеховых условиях форм и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования с погрешностями 0,03 X и 5% соответственно.
Полученные результаты диссертационной работы используются в плановых работах ОАО «ЛЗОС» и позволяют существенно повысить точность изготовления форм поверхностей крупногабаритных оптических деталей, а также значительно уменьшить время технологического цикла обработки и объём трудозатрат при изготовлении поверхностей астрономических зеркал.
Достоверность результатов
Достоверность результатов основана на корректном применении методов статистической оптики, теории рассеяния электромагнитного излучения шероховатыми поверхностями, теории оптико-электронных систем, подтверждена
многочисленными экспериментальными исследованиями, а так же внедрением результатов работы в технологический процесс. Полученные в работе результаты подтверждают эффективность разработанных методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования.
Реализация и внедрение результатов диссертационной работы
Результаты исследований работы использованы в НИР «Икар» и внедрены на ОАО «ЛЗОС» при разработке неравноплечего лазерного ИК интерферометра для контроля форм и качества крупногабаритных оптических деталей на стадиях шлифования, что подтверждено соответствующим актом.
Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций «Оптические материалы и технологии» на кафедре «Лазерные и оптико-электронные системы» в МГТУ им. Н. Э.Баумана.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Международной конференции «Оптика - 2007» (СПбГУ ИТМО, Санкт - Петербург, 2007 г.), на XVI, XVII, XVIII Международных научно - технических конференциях «Современное телевидение» (ФГУП МКП «Электрон», Москва, 2008 - 2010 гг.), на XX Международной юбилейной научно - технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Адлер, 2009 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трёх статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК, в семи работах в трудах международных научно - технических конференциях. Материалы работы изложены также в трёх научно - технических отчётах по НИР.
Структура и объём диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержащего 84 библиографических описания цитируемых источников. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста, включает 76 рисунков и 21 таблицу.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Метод определения параметров микронеровностей шлифованных оптических поверхностей по измерению контраста регистрируемых изображений интерференционных картин.
Метод повышения качества изображения интерферограмм, основанный на подавлении спекл - структуры в изображении и реализующий 4-х этапный алгоритм цифровой обработки изображений: формирование спектра изображения, его пространственно - частотная фильтрация, восстановление отфильтрованного изображения, усреднение по ансамблю сечений, проходящих через энергетический центр тяжести, отфильтрованного изображения.
Модифицированная функциональная схема неравноплечего лазерного ИК -интерферометра Тваймана - Грина, включающая дополнительный реперный источник излучения в видимом оптическом диапазоне, и спектральный светоделитель, позволяющая производить высокоточный технологический контроль,
как формы, так и качества (СКО параметров микронеровностей) крупногабаритных шлифованных оптических поверхностей.
4. Результаты экспериментальных измерений параметров формы и качества шлифованных поверхностей, полученные в цеховых условиях при использовании созданного макетного образца лазерного ИК - интерферометра.
Исследование характеристик оптических шероховатых поверхностей
Статистические свойства когерентного лазерного излучения, рассеянного шлифованными оптическими поверхностями, во многом определяется совокупностью параметров микронеровностей контролируемых оптических поверхностей, т.е. статистикой их распределения.
Для определения параметров микронеровностей оптических шероховатых поверхностей [31],[35],[36] необходима информация об их профилях, зная которые можно определить все их статистические характеристики [32],[37-43], которые в дальнейшем будут использоваться при описании оптических шероховатых поверхностей. Эта информация важна для оценки плавности и протяжённости микронеровностей шероховатых оптических по верхностей в масштабе оптической длины волны, используемой в дальнейшем для обоснования одного из методов нахождения поля, рассеянного исследуемыми шероховатыми поверхностями [44],[45].
Шероховатость оптической поверхности определяется в соответствии с ГОСТ 2789 - 73 , как "совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине".
Указанный стандарт распространяется на шероховатость поверхности изделий независимо от их материала и способа изготовления (получения поверхности). Стандарт устанавливает перечень параметров и типов направлений неровностей, которые должны применяться при установлении требований и контроле шероховатости поверхности, числовые значения параметров и общие указания по установлению требований к шероховатости поверхности.
В качестве шаговой границы между шероховатостью и другими видами неровностей в указанном выше ГОСТе была регламентирована так называемая "базовая длина" - длина / базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, т.е. совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине [35],[36].
Количественными показателями неровностей шероховатых оптических поверхностей служат (см. рис. 1.8) следующие параметры [36]:1) параметры высоты (Ra, Rz, Rq,Rmax) характеризующие размеры неровностей по нормали к базе отсчёта;2) параметры шага (S ,Sm), характеризующие расстояние между неровностями вдоль базы отсчёта;3) структурные параметры, характеризующие строение и форму неровностей {tp).Рис. 1.8. Профиль оптической шероховатой поверхности и её характеристики согласно ГОСТ 2789 -73: Ra - среднее арифметическое отклонение профиля;/ - высота неровностей профиля по десяти точкам; Rmax - наибольшая высота профиля; Sm - средний шаг неровностей; S - средний шагместных выступов профиля; tp- относительная опорная длина профиля,р - значения уровня сечения профиля
К параметрам высоты [36] относится в первую очередь среднее арифметическое отклонение профиля /?д, представляющее собой среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля от базовой линии / (по нормали к ней) в пределах базовой длины, т.е. или приближённо (1.8)где х - абсцисса профиля, отсчитываемая по базовой линии; у(х) - функция описывающая профиль; А(І=1,2,..П) - ординаты п учитываемых точек профиля в пределах базовой длины; / - базовая длина.
В ряде работ [7],[31],[35],[36] параметр Ra определяется как эмпирическое среднее абсолютное отклонение где y.(i=l,2,..ri) — выборочные значения рассматриваемой случайной величины Y (ордината профиля поверхности); у - выборочное среднее арифметическое значение.
В качестве второго параметра, используется величина Rz, представляющая собой сумму средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов и пяти наибольших максимумов в пределах базовой длины [36]средней линии, имеющей форму отрезка прямой, R7 представляетсобой среднее расстояние между пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, находящимися в пределах базовой длины, измеренное от линии, параллельной средней линии и не пересекающей профиль [36] где h. - расстояние от / - й высшей точки і - го выступа до линии, парал / maxлельной средней и не пересекающей профиль; h. - расстояние от низшейточки / - й впадины до той же линии.
За рубежом используют в качестве высотных параметров ещё расстояния Rp и RQ ОТ высшей и низшей точек профиля неровностей до его среднейлинии, причём для их измерения имеется соответствующая аппаратура [35],[36]. Rp называют высотой сглаживания [35],[36], a Rg - глубинойсглаживания [35],[36] причём (расстояние между линией выступовпрофиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины).
Основным шаговым параметром неровностей является базовая длина, определяющая для показателей шероховатости поверхности наибольшее значение шага тех составляющих профиля, которые учитываются при измерениях. Однако фактически в профиле таких составляющих может и не быть. Шаговыми параметрами в прямом смысле являются средний шаг неровностей Sm и средний шаг неровностей по вершинам S (см. рис. 1.8).
Средний шаг неровностей „определяется по средней линии как длинаотрезка средней линии, пересекающего профиль в трёх соседних точках и ограниченного вумя крайними точками этого отрезка. Шаг усредняется на базовой длине, и среднее арифметическое значение шага служит числовым значением параметра Sm на этой длине. Таким образом, для среднего шагаSm имеется соотношение [36]
Анализ статистических характеристик спекл - структуры в изображении интерференционной картины
Волна, отражённая от такой оптической шероховатой поверхности, может быть представлена в виде суперпозиции большого числа элементарных волн, отражённых от малых участков поверхности, которые можно считать независимыми рассеивающими центрами.
Распространение отражённого излучения до области наблюдения приводит к тому, что в заданной точке наблюдения интерферируют рассеянные компоненты каждая со своей фазовой задержкой, в результате чего формируется гранулированная спекл - картина.
Таким образом, спеклы - это интерференционная картина нерегулярных волновых фронтов, образующаяся при падении когерентного излучения на сильно шероховатую поверхность [61],[65],[69]. Свойства лазерной пятнистой или спекл - картины зависят от способа её образования. В соответствии с введённой в [65],[67] терминологией спекл - картину, наблюдаемую или регистрируемую на некотором расстоянии (обычно во френелевской зоне) от диффузно рассеивающей оптической поверхности, называют объективной, а формируемую в плоскости изображения оптической системы - субъективной (см. рис. 2.2).Рис. 2.2. Процесс образования субъективной спекл - структурыв плоскости изображения
На рисунке 2.2 показан процесс формирования субъективной спекл -структуры при рассеянии когерентного излучения от оптической шероховатой поверхности. Видно, что между лучами 4 и 5 , один из которых отражается в области выступа, а другой в области впадины микрорельефа, существует некоторая разность пройденных расстояний Ar = 2h{x,y)s\ny или разность хода двух соответствующих волн. В результате эти волны в точке встречи F приобретут разность фаз А р = 2лДг/А, от которой зависит степень усиления или ослабления интенсивности колебаний в точке F (CM. рис. 2.2).
Результирующая дифракционная картина (см. рис. 2,2) в плоскости регистрации будет определяться фазой отражённой от шероховатой поверхности электромагнитной волны, которая в свою очередь будет изменяться от рассеивателя (элементарной рассеивающей площадки) к рассеивателю из - за изменения высоты микронеровностей шлифованной поверхности.
Интерференционная картина, формируемая при контроле шлифованной оптической поверхности имеет также специфику, связанную с рассеянием когерентного лазерного излучения на шероховатой поверхности и как следствие возникновением спекл - структуры (см. рис. 2.3). Наличие спекл -структуры в изображающей плоскости интерферометра Тваймана - Грина ухудшает качество изображения регистрируемой интерферограммы.
Видно, что (см. рис. 2.3) в изображении интерференционной картины проявляются флуктуации интенсивности в той или иной степени. Математический анализ поля рассеянного шероховатой поверхностью проводится по ансамблю поверхностей, в результате чего к процессу формирования спекл — структуры необходимо подходить с позиции статистического анализа.Формируемая в интерференционном изображении спекл - структура проявляется в виде вытянутого пятна, которое характеризуется продольным и поперечным размерами [65].
Важной характеристикой спекл — структуры, позволяющей оценивать качество интерференционного изображения, является её контраст [61- 65].
При условии монохроматичности излучения, под контрастом спекл — структуры согласно [45],[61] принято понимать отношение среднеквадрати-ческого значения флуктуации интенсивности в спекл - структуре к среднему значению интенсивности (в пределах интерференционных колец (полос)) [61]:где а, - среднеквадратическое значение флуктуации интенсивности(/)— среднее значение интенсивности (в пределах интерференционныхколец (полос)).Для нахождения контраста спекл — структуры, необходимо определить моменты поля высшего порядка, рассеянного шероховатой поверхностью, а именно получить выражения для таких статистических характеристик поля, как среднеквадратического значения флуктуации интенсивности и среднего значения интенсивности. Нахождению этих статистических характеристик посвящен следующий раздел диссертации.
В большинстве практически реализуемых ситуаций микронеровности оптических шероховатых поверхностей имеют небольшой абсолютный размер, поэтому при рассеянии плоской монохроматической волны такой; поверхностью модулируется только фаза волны, а; амплитуда остаётся неизменной.
Тогда математически задача образования спекл — структуры может быть сведена к анализу процесса дифракции плоской монохроматической волны U0(x,y,z) = exp(-ifa), (2.2)на безграничном фазовом экране [43],[45],[47],[68].
Ранее было показано (см. раздел 2.1), что в качестве оценочной характеристики влияния спекл - структуры на качество интерференционного изображения целесообразно использовать контраст спекл - структуры [61 — 65].
Для нахождения контраста спекл - структуры, необходимо определить флуктуации интенсивностей (числитель выражения (2.1)) возникающие при отражении от случайного хаотического фазового экрана с нулевым средним, т.е. необходимо знание моментов поля высших порядков. А для нахождения среднего значения интенсивности (знаменатель выражения (2.1)) необходимо определить момент поля первого порядка (среднее значение) на некотором удалении Z от фазового экрана.
Запишем выражение для среднего значения интенсивности в пределах интерференционных колец (полос) (/}:где р = х-у, U(p) и U (p) - комплексная амплитуда нормально падающей же как и функция когерентности остаются неизменными при удалении от плоскости Z=0 для статистически однородного фазового экрана и плоской падающей волны [45].
Для нахождения среднеквадратичного значения флуктуации интенсивности о1 (числителя (2.1)) в спекл — структуре необходимо перейти от анализа момента поля первого порядка (2.5), (среднего поля) к рассмотрению моментов поля четвёртого порядка, точнее говоря, к рассмотрению корреляционной функции четвёртого порядка.По определению корреляционная (автокорреляционная) функция комплексного поля h{r) = X(r) + iY{r) записывается в виде:y,h{rx,r2) = (И(ф\г2)) = (Кф\г2)) - (Кг,)) (h\r2)) (2.6)Положив г, = г2 = г, получим дисперсию в точке г :
Запишем выражение для корреляционной функции флуктуации интенсивности при дифракции плоской волны на бесконечном плоском хаотическом фазовом экране. Этот случай полностью аналогичен картине дифракции плоской волны на плоском (в среднем плоском) объекте при её нормальном падении на объект. В этом случае фазовая модуляция падающей волны хаотичным фазовым экраном эквивалентна модуляции излучения за счёт вариации набегов фаз при прохождении излучения в углубления микронеровностей объекта.Тогда для корреляционной функции флуктуации интенсивности можно записать [45]
Разработка оптической схемы макетного образца неравноплечего лазерного ИК - интерферометра Тваймана - Грина
Ранее показано (см. раздел 1.1), что в силу ряда преимуществ в качестве оптической схемы интерферометрической системы контроля принята модифицированная схема неравноплечего интерферометра Тваймана - Грина, которая наиболее полно удовлетворяет всему комплексу представленных требований по точности, степени автоматизации, возможности дистанционного управления системой контроля, конструктивными и технологическими особенностями, удобствами эксплуатации в производственных условиях. Модифицированные функциональные схемы созданного макетного образца неравноплечего ИК — интерферометра Таймана — Грина вертикального и горизонтального построений (ЛИШП - 1, ЛИШП - 2) (см. рис. 3.8а,б) обеспечивают технологический контроль форм крупногабаритных оптических как сферических, так и асферических деталей при помощи компенсатора волнового фронта на стадиях их шлифования.
В состав оптической схемы интерферометра входят следующие основные блоки и узлы (см. рис. 3.8. а, б): 1) лазер СО2 (10,6 мкм), 2) HeNe-лазер (0,6328 мкм) реперного канала, 3),4)наклонные зеркала, 5) телескопическая система, 6) зеркальная система ввода, 7) фокусирующий объектив, 8) эталонное сферическое зеркало, 9) светоделительный кубик, 10) компенсатор волнового фронта, 11) контролируемая деталь, 12) проекционный объектив ,13) ИК-камера, 14) наклонное зеркало, 15) диафрагма, оптико-механический блок.
Проекционный объектив (поз. 12, см. рис. 3.8) предназначен для построения изображения оптической детали (с учетом наличия плоскости промежуточного изображения при работе с компенсатором волнового фронта) в плоскости фотоприемного устройства микроболометрической камеры. Для обеспечения технологического контроля гаммы контролируемых деталей интерферометр оснащается тремя проекционными объективами (с диаметром входного зрачка -D= 30 мм) с различными фокусными расстояниями{Dj fl =1/2, D/f2 =1/3, D/f3 = 1/4), либо объективом с переменным фокусным расстоянием. Объектив рассчитывается на минимум остаточной аберрации дисторсии и поперечной сферической аберрации и изготавливается из материала, имеющего пропускание не менее 80% для длины волны X — 10,6 мкм.Увеличение проекционных объективов обеспечивает соответствие размеров формируемого изображения интерференционной картины размерам фоточувствительной площадки матричного фотоприемника. Конструкция оправы объективов обеспечивает возможность их оперативной замены и надежное закрепление на корпусе ИК камеры, при сохранении заданного рабочего отрезка.
Фокусирующий объектив (поз.7 на рис. 3.8) (диаметр входного зрачка — 30 мм, D/f = 1/4) предназначен для формирования сферическоговолнового фронта излучения источника с учетом аберраций, вносимых све-тоделительным кубиком, установленным в рабочей ветви интерферометра, как показано на рисунках 3.8 а, б. Фокусирующий объектив рассчитывается на минимум волновой аберраций [83],[84] и изготавливается из материала, имеющего пропускание не менее 80% для диапазона (0,6328 — 10,6) мкм. Оптико - механический узел объектива в случае необходимости обеспечивает смену вновь разработанного фокусирующего объектива и его установку в то же посадочное место.
Особенностью фокусирующего объектива является то, что он используются совместно со светоделительным кубиком. Это означает, что его конструкция должна обеспечивать размещение этого кубика в непосредственной близости от объектива. В этом случае его задний фокальный отрезок s f должен быть примерно равными 60 мм.При расчете проекционных объективов [83],[84], габаритным критерием является необходимость сопряжения плоскости установки микробаломет-рического матричного фотоприемника с плоскостью промежуточного изображения апертуры контролируемой оптической детали через компенсатор волнового фронта в ходе отраженного от нее излучения.
В качестве исходных данных рассматриваются два варианта схемы контроля конкретных деталей - зеркал диаметрами 2,65 м и 4,00 м с соответствующими компенсаторами волнового фронта.
Оптические схемы компенсаторов волнового фронта контролируемых зеркал диаметрами 2,65 м и 4 м приведены на рисунках 3.9,3.10. На рисунке 3.9 показана оптическая схема, включающая компенсатор и контролируемое зеркало диаметром 2,65 м , которое описывается уравнением асферической поверхности видаРабочее излучение ИК лазера после телескопа, фокусирующего объектива и с вето делительного кубика фокусируется в точке О, затем направляется на компенсатор. После компенсатора излучение падает на контролируемое зеркало, отражается от него, проходит компенсатор в обратном ходе и вновь собирается точно в точке О (для случая идеальной поверхности контролируемого зеркала).
На рисунке ЗЛІ показана схема, поясняющая образование промежуточного изображения апертуры контролируемой детали. Предметом является апертура контролируемого зеркала, а ее изображение формируется оптической системой компенсатора на расстоянии 18 мм от последней поверхности компенсатора в обратном ходе, или на расстоянии 144 мм от т.О (см. рис. 3.12). Размер получаемого промежуточного изображения /=26 мм.
Теперь можно перейти к формированию следующих исходных данных для расчета проекционного объектива, работающего с этим компенсатором (см. рис. 3.12). На этом рисунке пунктиром показано расположение светоде-лительного кубика, но на начальном этапе он не учитывался в расчетах. Пунктиром на рисунке показано также оптическое сопряжение плоскостей, а заштрихованная область показывает сечения распространяемого лазерного пучка.
Определим возможные значения расстояния -а до предмета для рассматриваемого случая (см.рис. 3.12). Это расстояние складывается из двух:где -al - расстояние от точки О до промежуточного изображения апертуры контролируемого зеркала, которое определено -al = 144 мм;-а2 - расстояние от точки О до плоскости возможной установки проекционного объектива, которое определяется исходя из габаритных и конструктивных соображений. Исходя из этих соображений, желательно, чтобы это расстояние составляло величины в диапазоне (60 - 100) мм.
Таким образом, диапазон возможного изменения расстояний, а до предмета составит от 205 мм до 260 мм.
Следующий параметр, который необходим для проведения габаритного расчета проекционного объектива - линейное увеличение (5 = -b/l, где Ъ -размер матричного фотоприемника ИК диапазона. Размеры фоточувствительной площади матрицы составляют (10 х 13) мм. Для наших расчетов выбираем минимальный размер 6=10 мм. Т.о. /?составит -0,38.
Методика измерений параметров микронеровностей контролируемых шлифованных оптических поверхностей при помощи макетного образца лазерного ИК — интерферометра
В качестве примера на рисунке 3.33 показана топографическая карта оптической шлифованной поверхности, обработанной абразивным микропорошком МЮ (см. таблицу 20), которая была установлена в разработанную систему макетного образца интерферометрического контроля (см. рис. 3.32). С целью уменьшения влияния различного рода систематических шумов результирующая топографическая карта получалась по ансамблю регистрируемых интер-ферограмм. Рис. 3.33. Топографическая карта соответствующая оптической шлифованнойповерхности, обработанной абразивным микропорошком М10, полученнаяпри расшифровке интерферограммы, зарегистрированной при помощиразработанного макетного образца - лазерного ИК интерферометра
В процессе построения топограммы вводится шаг волновой аберрации (д1/дг )ш, (см. рис. 3.33) равный лУ97, с помощью которого задаются уровниквантования к, идентифицируемые числами от —к до +к. В свою очередь, каждый уровень квантования соответствует волновой аберрации к(д1/Л, )ш.
Уровни, соответствующие -К к -1 задают "ямы" синего цвета, при к = 0 отклонения от сферы сравнения отсутствуют (зелёный цвет), а последние 1 к К определяют "бугры" красного цвета. Дополнительно на топографической карте приводятся текстовые данные в виде сводной таблицы аберрационных коэффициентов о погрешностях формы контролируемой поверхности.
Сводная таблица содержит (см. рис. 3.33): 1. Универсальные параметры: 1.1. RMS - среднеквадратическое отклонение формы поверхности от ближайшей сферы сравнения; 1.2. RMS Slope — среднеквадратическое отклонение углов наклона нормалей к поверхности; 1.3. P-V - разность между максимальным и минимальным значением погрешности формы на контролируемой поверхности; 2. Таблицу значений RMS и P-V регулярных и локальных отклонений кон тролируемой асферической поверхности от ближайшей сферы сравнения: 2.1. АН - для всех отклонений; 2.2. ilt - для всех отклонений за вычетом наклона (клина); 2.3. -Focus — для всех отклонений за вычетом дефокусировки (кривизны, сферичности); 2.4. -Astigmatism — для всех отклонений за вычетом астигматизма; 2.5. -Coma - для всех отклонений за вычетом комы 3-го порядка; 2.6. -Сота5 - для всех отклонений за вычетом комы 5-го порядка; 2.7. —Triangular — для всех отклонений за вычетом триангулярной комы; 2.8. -Quadratic - для всех отклонений за вычетом квадратичного астигматизма (5-ый порядок); 2.9. -Spherical - для всех отклонений за вычетом сферической аберрации; 2.10. Local - все отклонения без регулярных погрешностей; 3. Параметр Focus Factor задаёт величину дефокусировки; 4. Таблица коэффициентов вышеперечисленных отклонений с указанием их угловой ориентации. Угол задаёт градиентное направление изменения соответствующих аберраций относительно базовой системы координат; 5. Таблица коэффициентов сферических аберраций. Таким образом, в результате проведённых измерений, показано, что на стадии грубого шлифования разработанный неравноплечий ИК — интерферометр Тваймана - Грина (ЛИШП - 1) позволяет оценить среднеквадратиче ское отклонение формы оптической поверхности от ближайшей сферы сравнения не хуже, чем 0,03А, (см. таблицу 20), причём на стадии среднего шлифования среднеквадратическое отклонение формы оптической поверхности от ближайшей сферы сравнения составляет 0,025А, (см. таблицу 20). Таким образом, стадия среднего шлифования является предпочтительной и рекомендуемой в процессе технологического контроля в цеховых условиях, поскольку в этом случае достигается наиболее высокая точность определения формы оптической шлифованной поверхности при приемлемом контрасте получаемой интерференционной картины (см. раздел 1.5). В разделе 1.5 настоящей работы предложен и научно обоснован метод определения параметров микронеровностей шлифованных оптических поверхностей по измерению контраста регистрируемой интерференционной картины. Особенностью предложенного метода является возможность измерения степени шероховатости не только плоских, но и вогнутых оптических поверхностей. Именно в этом заключается его основное преимущество по сравнению с широко используемом в оптическом производстве контактным методом измерения профиля контролируемой поверхности с помощью про-филометра. Для экспериментальной проверки предложенного метода с использованием созданных при участии автора образцов интерферометров ЛИШП - 1 и ЛИТТТЛ - 2 была разработана методика измерений СКО высот микронеровностей шлифованных и полированных оптических поверхностей. В качестве образцов использовались: один оптический элемент с полированной поверхностью и три элемента, поверхности которых обработаны абразивными микропорошками №4, М40,М28. Указанные образцы поочерёд но устанавливались на интерферометре (ЛИШП - 1, ЛИТТТТТ - 2) и регистрировались интерференционные картины в рабочем ИК - диапазоне. Вид зарегистрированных интерферограмм представлен в левой части рисунка 3.34, на изображениях которых отчётливо проявляется спекл — шум, обусловленный случайным характером распределения микронеровностей оптической поверхности. В соответствии с разработанной методикой на следующем этапе проводилась операция усреднения средних значений распределений интенсивно-стей в интерференционных кольцах каждой интерферограммы по 50 центральным её сечениям (см. раздел 2.4) и в результате формировались усреднённые (сглаженные) изображения интерферограмм. Вид этих интерференционных картин представлен в правой части рисунка 3.34. В отличие от исходных интерферограмм в них спекл — структура практически отсутствует, хотя в процессе усреднения величина контраста уменьшается, особенно для интерферограмм от грубо - шлифованных поверхностей.
