Интерферометр для измерения формы поверхности оптических изделий - RU2186336C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области бесконтактного оптического измерения формы поверхности оптических изделий, например, сферических и асферических зеркал или линз в условиях оптического производства и лабораторных исследований.

Известен интерферометр (Патент России 2114390, С 01 В 9/02, Интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых гиперболических зеркал), содержащий формирователь рабочего и опорного волновых фронтов, контрольное сферическое зеркало, пластину с голограммой и контролируемое асферическое зеркало с отверстием в центре.

Существенным недостатком данного интерферометра является его низкая точность работы, которая обусловлена высокой чувствительностью к вибрациям. Чувствительность к вибрациям обусловлена пространственным разносом формирователей опорного и измерительных волновых фронтов в схеме интерферометра.

Известен также интерферометр с общим ходом лучей (R. N. Smаrt. Zоnе рlаtе interferometer. Аррl. Орtiсs, 1974, vоl. 13, Nо.5, рр. 1093-1099) состоящий из источника излучения, светоделителя, с одной стороны которого установлены последовательно зонная пластинка и исследуемый объект, а с другой стороны диафрагма и регистрирующее устройство.

Недостатком данного интерферометра является низкая точность работы обусловленная оптическими шумами в регистрируемой интерферограмме. Оптические шумы возникают из-за дифракции оптического излучения на осевой зонной пластинке и полностью не блокируются диафрагмой, так как распространяются вдоль оптической оси.

Наиболее близким техническим решением является интерферометр (Т. Ноndа, Y. Каwаmоtо, Н. Guаn, еtс. Zоnе-рlаtе null interferometer fоr mеаsuring аsрhеriсаl murrоr with lаrgе ареrturе. Рrос. оf SPIЕ, 1992, vоl. 1720, рр. 305-310. ) состоящий из осветителя, светоделителя, синтезированной голограммы, исследуемой оптической поверхности, опорной оптической поверхности, диафрагмы и регистрирующего устройства.

Недостатком данного устройства является низкая точность работы, обусловленная, во первых, оптическими шумами, которые появляются на интерферограмме из-за зеркального отражения света от пластины с голограммой, дифракции света на осевой структуре голограммы, и во вторых, высокой чувствительностью к вибрациям, которая обусловлена применением плоского зеркала в опорном плече интерферометра.

Перед автором ставилась задача создания интерферометра для измерения формы поверхности прецизионных оптических изделий в условиях воздействия вибраций при одновременном увеличении точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в интерферометре, состоящем из осветителя, светоделителя, синтезированной голограммы. исследуемой оптической поверхности, опорной оптической поверхности, диафрагмы и регистрирующего устройства, синтезированная голограмма выполнена в виде пространственной комбинации не менее двух голограмм, одна из которых является голограммой опорной поверхности, а другая является голограммой исследуемой поверхности. Причем пространственная комбинация голограмм выполнена в виде периодически чередующихся колец с первой и второй голограммами, причем период чередования меньше чем T = 2λl/D, где λ - длина волны источника излучения, l -расстояние между диафрагмой и голограммой. D - диаметр диафрагмы. Кроме того, поверхность отражателя имеет сферическую форму, а синтезированная голограмма, исследуемая и опорная оптические поверхности, наклонены к оптической оси на угол ϕ больший чем ϕ = D/2l.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении влияния вибраций и оптических шумов на измерение формы поверхности оптических изделий - высокоапертурных сферических и асферических зеркал в условиях оптического производства.

Новыми отличительными признаками изобретения является то, что синтезированная голограмма выполнена в виде пространственной комбинации не менее двух голограмм, одна из которых является голограммой опорной поверхности, а другая является голограммой исследуемой поверхности. Пространственная комбинация голограмм выполнена в виде периодических чередующихся колец с первой и второй голограммами, причем период чередования меньше чем T = 2λl/D, где λ - длина волны источника излучения, l - расстояние между диафрагмой и голограммой. D - диаметр диафрагмы. Опорная поверхность имеет сферическую форму, а синтезированная голограмма, исследуемая и опорная оптические поверхности, наклонены к оптической оси на угол ϕ больший чем ϕ = D/2l.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующим графическим материалом.

На фиг. 1 представлена схема интерферометра для измерения формы поверхности оптических изделий.

На фиг.2 представлено взаимное расположение голограмм на оптической подложке.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения оптической системы интерферометра.

На фиг.4 представлен вид плоскости регистрирующего устройства при измерении формы оптической поверхности.

Предложенный интерферометр (фиг.1) состоит из осветителя 1, светоделителя 2, синтезированной голограммы 3, исследуемой оптической поверхности 4, в центре которой установлена опорная оптическая отражающая поверхность 5, диафрагмы 6 и регистрирующего устройства 7. Осветитель 1 выполнен, например, в виде оптически связанных лазера 8, фокусирующего объектива 9 и микродиафрагмы 10. Регистрирующее устройство 7 состоит, например, из объектива 11 и видеокамеры 12. Синтезированная голограмма 3 (фиг.2) выполнена в виде комбинации двух голограмм 13 и 14. Вне зоны основной голограммы нанесена дополнительная зона с отражающей синтезированной голограммой 15. В варианте интерферометра на фиг.3 перед голограммой 3 установлен коллимирующий объектив 16.

Интерферометр (фиг.1) работает следующим образом. Световой поток от осветителя 1, выполненного в виде установленных последовательно лазера 8, микробъектива 9 и микродиафрагмы 10, поступает к светоделителю 2. Отраженный световой поток поступает к синтезированной голограмме 3. При освещении голограммы 3 на ее выходе образуются несколько дифракционных порядков.

Голограмма выполнена в виде пространственной комбинации двух независимых голограмм, таким образом, что первая из них формирует волновой фронт (кривая u₁) сферической формы с центром в точке s₁, а вторая формирует волновой фронт (кривая U₂), повторяющий форму исследуемой оптической поверхности 4. Опорная оптическая поверхность (отражатель) имеет сферическую форму. Волновой фронт u₁ фокусируется точно в центр (точка s₁) кривизны опорной поверхности 5 (отражателя), которая установлена вблизи вершины исследуемой поверхности 4, например, асферического зеркала с отверстием в центре. В этом дифракционном порядке голограмма выполняет функцию линзы с параксиальным фокусным расстоянием

где с₁= 0.8-1.2 - постоянный коэффициент, зависящий от положения и размеров отражателя, l₁ - расстояние вдоль оптической оси от осветителя 1 до голограммы 3, d- расстояние от голограммы до вершины исследуемой отражающей поверхности 4. Если центр кривизны отражателя совпадает с вершиной исследуемой поверхности, то с₁=1.

Отраженный от поверхности отражателя световой поток поступает тем же путем обратно к голограмме 3, снова дифрагирует на ее структуре, проходит светоделитель 2 и фокусируется в отверстие (точка s₂) диафрагмы 6. Диафрагма является пространственным фильтром и пропускает этот световой поток, но блокирует оптическое излучение, распространяющееся вне оптической оси. Диаметр диафрагмы D выбирается из условий удобства настройки и фильтрации рассеянного излучения как
D = (10-50)•λl/a, (2)
где λ - длина волны источника излучения, l - расстояние от диафрагмы до голограммы 3, а -световой диаметр голограммы 3. При l=450мм и а=30мм, λ =633нм, диаметр диафрагмы D = 0.1-0.5 мм. Пройдя диафрагму световой поток поступает к регистрирующему устройству 7, состоящему из объектива 11 и видеокамеры 12. Этот световой поток имеет равномерное распределение фаз и амплитуд и является опорным волновым фронтом в интерферометре (плоскость Р).

Другой волновой фронт U₂ на выходе голограммы является измерительным волновым фронтом. Голограмма изготовлена таким образом, что форма измерительного волнового фронта в точности повторяет форму исследуемой поверхности 4, если она выполнена идеально. В этом случае все выходящие из голограммы лучи падают на исследуемую поверхность под нормальными углами. В параксиальном приближении (или в случае когда исследуемая оптическая поверхность является сферическим зеркалом) фокусное расстояние голограммы (расстояние Оs₃) в этом дифракционном порядке равно

где d₁= ±(d-R), R - параксиальный радиус кривизны исследуемой поверхности, знак (-) соответствует мнимому (этот вариант представлен на фиг.1), а (+) действительному положению фокальной точки s₃. Если поверхность 4 имеет выгнутую форму, то
d₂=d+R.

После отражения световой поток вторично проходит голограмму 3. После дифракции на структуре голограммы возникает дифракционный порядок, который фокусируется в области точки s₂, лежащей в диафрагме 6. Другие дифракционные порядки блокируются диафрагмой и не проходят к регистрирующему устройству 7. Этот световой поток используется в качестве измерительного и интерферирует с опорным пучком в плоскости Р.

Для формирования двух независимых волновых фронтов U₁ и U₂ синтезированная голограмма 3 выполнена в виде периодически чередующихся колец с первой 13 и второй 14 голограммами (фиг.2). Период Г чередования голограмм выбирается меньше, чем
T<2λl/D. (5)
При этом дифракционные порядки обусловленные кольцевой структурой, блокируются диафрагмой. Дифракционная эффективность голограммы в волновых фронтах U₁ и U₂ определяется, соответственно, как
η₁= (b/T)²•η (6a)
и
η₂= (1-b/T)²•η, (6б)
где b - ширина колец со структурой первой голограммы, η - дифракционная эффективность самой структуры. Если структура голограммы выполнена в виде бинарной рельефной структуры с прямоугольным профилем и глубиной λ/(n-1), где n - коэффициент преломления материала подложки голограммы 3, то η =0.4. Таким образом, при b=772 дифракционная эффективность по каждому из волновых фронтов составит η₁= η₂= 0.1. Из выражений (6) следует, что для получения максимально высокого контраста интерференционных полос (условие равенства интенсивностей опорного и измерительного пучков) необходимо выбирать ширину кольцевой структуры из соотношения:
η•ρ₁= η•ρ₂, (7)
где ρ₁ и ρ₂, соответственно, коэффициенты отражения поверхности отражателя 5 и исследуемого объекта 4. Равенство (7) выполняется при ширине колец первой голограммы равных

Т. е. если ρ₁ = ρ₂, то b=T/2, а если ρ₁=0.9 и ρ₂=0.05 (соответственно, алюминиевое покрытие и оптическое стекло), то b~Т/3.

Для устранения попадания в регистрирующее устройство зеркально отраженного от голограммы света, подложка с голограммой и исследуемая отражающая поверхность, наклонены по отношению к оптической оси на угол ϕ>D/l. Угол ϕ выбирается в диапазоне от 0.5^o до 1^o. В этом случае зеркальные блики от оптической пластины с голограммой, а также от параксиальной области исследуемой оптической поверхности блокируются диафрагмой и не проходят к регистрирующему устройству.

Возможны также другие варианты выполнения интерферометра. На фиг.3 представлен вариант выполнения интерферометра с установленным перед синтезированной голограммой дополнительным коллимирующим объективом 16. В этом случае голограмма 3 устанавливается в параллельном пучке света, что позволяет несколько упростить юстировку интерферометра и изменять расстояние между голограммой 3 и осветителем 1. При освещении голограммы плоским волновым фронтом, голограмма имеет фокусное расстояние f₁= с₁d.

Для точной установки голограммы 3 в пространстве под углом ϕ вне зоны голограмм 13 и 14 нанесена дополнительная отражательная голограмма 15 в виде кольцевой зоны (фиг.2). Период дифракционной структуры выбран таким образом, что при наклоне пластины на нужный угол ϕ, световой поток отражается и дифрагирует точно назад, проходит диафрагму и поступает к регистрирующему устройству. При правильной настройке углового положения пластины, в регистрирующем устройстве (плоскость Р) наблюдается яркое кольцо 17, расположенное вокруг интерференционной картины 18 исследуемой поверхности, как показано на фиг. 4. При использовании оптической системы с коллимирующим объективом 16 (освещение голограммы плоским пучком света, как показано на фиг.3), дополнительная голограмма имеет вид линейной дифракционной решетки с периодом b = λsin(2ϕ).
В предлагаемом интерферометре оба пучка (опорный и измерительный) проходят одновременно все оптические компоненты и имеют одинаковую длину оптического пути, поэтому влияние возмущающих факторов (вибраций, потоков воздуха, длины когерентности и т.п.) существенно снижено. Так как в предлагаемом устройстве опорная поверхность имеет сферическую форму и опорный пучок фокусируется на эту поверхность (отражатель типа "кошачий глаз"), влияние ошибок настройки минимизировано, а размеры отражателя (несколько миллиметров) существенно меньше светового диаметра голограммы и, соответственно, размеров плоского зеркала в известных устройствах. Это позволяет исследовать объекты (зеркала) с небольшим центральным отверстием, а также без него.

Основные преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. Общий ход измерительного и опорного пучков света в предлагаемом интерферометре позволяет измерять форму поверхности оптических изделий в условиях воздействия вибраций и потоков воздуха при одновременном увеличении точности работы за счет устранения оптических шумов. Это обеспечивает возможность высокоточного измерения формы поверхности высокоапертурных сферических и асферических зеркал в условиях оптического производства.

Реферат

Интерферометр для измерения формы поверхности оптических изделий состоит из осветителя, светоделителя, синтезированной голограммы, исследуемой оптической поверхности, опорной оптической поверхности, диафрагмы и регистрирующего устройства. Синтезированная голограмма выполнена в виде пространственной комбинации двух голограмм, одна из которых является голограммой опорной поверхности, а другая является голограммой исследуемой поверхности. Пространственная комбинация голограмм выполнена в виде периодически чередующихся зон с первой и второй голограммами, с периодом чередования, меньшим чем T = 2λl/D, где λ - длина волны источника излучения, l - расстояние между диафрагмой и голограммой, D - диаметр отверстия диафрагмы. Технический результат - уменьшение влияния вибраций и оптических шумов при измерении формы оптических поверхностей. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула