Цифровой интерферометр с дифрагированной эталонной волной для контроля оптических элементов, поверхностей и микрообъективов.

Цифровой интерферометр включает лазерный интерферометр с дифрагированным эталонным фронтом и аппаратно-программное оптико-электронное устройство. Благодаря высокой когерентности лазерного излучения и его способности фокусироваться в пятно малых размеров в этом интерферометре получаются идеальные сферические волновые фронты, образованные при дифракции сходящихся пучков на диафрагме порядка λ. Применительно к задачам контроля это означает, что данный интерферометр является полностью безэталонным, так как в нем не предусмотрено использование эталонных оптических поверхностей, а также отсутствуют поверхности, погрешности изготовления которых входят в погрешности измерения.

Оптико-электронное устройство выполняет фотоэлектрическое преобразование оптического изображения интерферограммы в цифровое изображение, которое затем регистрируется и обрабатывается.

Принцип интерферометра состоит в том, что на одну их поверхностей разделителя светового пучка, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, нанесено зеркальное покрытие вместо светоделительного покрытия, используемого в неравноплечих интерферометрах. В центре зеркального покрытия имеется точечное отверстие, а между лазером и разделителем пучка расположен объектив, задний фокус которого совмещен с точечным отверстием на разделителе пучка. Точечное отверстие служит источником дифракционной волны, которая является опорой. Таким образом, возникающая в этой схеме интерференционная картина есть результат сложения идеальной сферической волны, возникающей при дифракции на точечном отверстии, и рабочей волны, отраженной от контролируемой поверхности. Вследствие такого решения разделителя в интерференционной картине отсутствуют паразитные изображения, возникающие в обычных светоделительных элементах, что позволяет дополнительно повысить точность, надежность и воспроизводимость интерференционного контроля.

Поскольку дифракционная волна, образующаяся на точечном отверстии в сходящемся пучке, служит опорой, схема интерферометра в сравнении с аналогичными устройствами существенно упрощается. Отпадает необходимость трудоёмкого изготовления сферической эталонной поверхности, требования к которой в неравноплечих интерферометрах ограничивают достижимую точность измерения, так как погрешность изготовления эталона трудно снизить до величины менее λ/10.

Для выравнивания интенсивностей пучков и повышения контраста интерференционной картины в обеих ветвях интерферометра установлены поворотные поляризационные пластинки. Таким образом, интерферометр с дифрагированной волной позволяет контролировать оптические элементы и поверхности, отличающиеся коэффициентом пропускания или отражения в большом диапазоне, от 1-2 до 80-90% без перенастройки интерферометра.

Схема цифрового интерферометра с диафрагированной эталонной волной показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема цифрового интерферометра с дифрагированной эталонной волной для контроля оптических элементов, поверхностей и микрообъективов.

Луч лазера 1, пройдя расширитель 2, фокусируется объективом 3 в точечное отверстие 4 зеркала 5. Отверстие совмещено с центром кривизны контролируемой поверхности 6. Схема содержит также осветительное сферическое зеркало 7, центр кривизны которого совмещен с отверстием 4; в плече наблюдения имеются объектив 8 и окуляр 9 для наблюдения освещенной точечной диафрагмы и автоколлимационного изображения точки в центре кривизны контролируемой поверхности. Для наблюдения интерференции в зрачке вводится дополнительно линза Бертрана 12. В ветвях интерферометра установлены поворотные поляризационные пластины 10, 11.

Для регистрации интерферограммы за окуляром размещен приемник изображения 14 (цифровая камера) и блок обработки и регистрации 15 на базе ноутбука, в который поступает цифровое изображение. Регистрируемое изображение интерферограммы отображается на дисплее 16.

Работает интерферометр следующим образом. Пучок лучей лазера 1, прошедший через расширительный элемент 2, фокусируется на точечном отверстии 4 в зеркальном покрытии наклонного плоского зеркала 5 в виде пятна рассеяния диаметром порядка 100 мкм.

Точечное отверстие становится источником дифракционной сферической волны, которая в автоколлимации от исследуемой сферической поверхности 6 изображается в виде пятна рассеяния, перекрывающего точечное отверстие 4. Отразившись от зеркала 5, этот пучок направляется на приемник изображения.

Часть излучения лазера, сфокусированного объективом 3 на точечное отверстие, но не прошедшего через него, отражается от зеркала 5 в направлении осветительного сферического зеркала 7 и фокусируется на отверстии 4 в направлении плеча наблюдения. При этом на отверстии формируется вторая дифракционная волна, фронт которой использован в качестве опорного волнового фронта. В результате сложения этой волны и опорной, сформированной контролируемой поверхностью, возникает интерференция в совмещенных световых пучках, распространяющихся от точечного отверстия в направлении приемника изображения.

Цифровое изображение с выхода камеры 14 поступает в ноутбук 15, где с использованием специального программного обеспечения выполняется регистрация и обработка интерферограмммы.

Для устранения влияния вибраций, которые возникают неминуемо, регистрация изображения интерферограммы происходит автоматически в момент времени, когда с выхода цифровой камеры снимается неподвижное цифровое изображение. Это позволяет визуализировать и расшифровывать интерферограмму в статическом режиме.

Существенное повышение чувствительности контроля и точности отсчетов координат интерференционных полос достигается предварительной обработкой, в результате которой каждая интерференционная полоса, имеющая синусоидальное распределение интенсивности и потому размытая, трансформируется пару четких линий, которые соответствуют координатам центра тяжести белых и черных участков интерференционных полос. Данная предварительная обработка интерферограмм основана на программной реализации технического решения, опубликованного в [2], которое позволяет выделять центры интерференционных полос произвольно ориентированных относительно строк кадра изображения. Для этого изображение интерферограммы сканируется многоэлементной апертурой, и формируемая при этом совокупность отсчетов на каждом шаге анализа анализируется в направлениях х, у, - ху и ху с шагом 45° относительно центра апертуры, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Выделение центра интерференционной полосы с помощью многоэлементной апертуры.

Литература

1. Иванова Т.А., Кириловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов., Л.: Машиностроение, 1984.
2. Устройство для обнаружения центров интерференционных полос, а.с. СССР №1702541, 30.12.91, бюл. №48.