CC BY
435
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ
ОБЪЕКТИВОВ
В.К. Кирилловский, М.М. Трухин, Д.Н.Фролов
Рассмотрен аппаратурно-программный комплекс для автоматизированного контроля качества деталей и систем объективов. Синтез лазерной интерферометрии, аналоговой телевизионной обработки и интерпретации интерферограмм в реальном времени в сочетании с компьютерной автоматической расшифровкой и всесторонней цифровой обработкой интерферограмм создают новые возможности универсальности и гибкости процесса контроля в соответствии с конкретными задачами реального производства.
Введение
Сложный процесс создания современной оптической системы может быть разделен на два этапа - проектирование и изготовление. На первом этапе производится расчет параметров системы. Качество изображения, которое она может обеспечить, оценивается также путем расчета. На втором этапе, при изготовлении, стремятся получить реальную систему с параметрами, насколько возможно близкими к расчетным. Полученные параметры и качество изображения, даваемого изготовленной системой, оцениваются средствами оптических измерений.
Пусть предметом изготовления является фотографический объектив (рис.1). Рассматривая его элементы, параметры, требующие измерения и контроля, и примеры необходимых средств измерений [2], находим, что качество изображения, даваемое объективом, решающим образом связано с аберрациями объектива, которые, в свою очередь, в процессе изготовления зависят от ошибок поверхностей оптических деталей, дефектов оптических материалов и качества сборки. Все перечисленные факторы приводят к деформациям волнового фронта, формируемого объективом.
Рис. 1. Схема фотообъектива
Сведения о структуре изображения, построенного оптической системой, могут быть получены двумя путями: прямым и косвенным.
Косвенные способы оценки качества изображения состоят в измерении структуры деформаций волнового фронта в зоне 1 (зоне зрачка), на выходе оптической измерительной схемы, и последующем вычислении на основе полученной карты волнового фронта характеристик качества изображения, таких как ФРТ, ФРЛ и ЧКХ. Преимущества косвенных методов состоят в том, что они позволяют по известной топографии отклонений фронта волны рассчитать большинство характеристик качества изображения и определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения.
Интерферограмма
Сегодня наиболее полную количественную информацию о волновом фронте можно получить интерферометрическим методом. При этом волновой фронт может быть
оценен с точностью X/n, где X - длина световой волны источника, а - число проходов лучей через систему. Интерферометрия позволяет при точно сфокусированном интерферометре получить интерференционную картину, подобную топографической карте профиля ошибок исследуемой волновой поверхности, где горизонтали (изолинии уровня) представлены в виде полос с интервалом, кратным длине световой волны. При поперечной расфокусировке интерферометра, предложенного Твайманом, возникает система полос, форма каждой из которых соответствует профилю ошибок волнового фронта в данном сечении зрачка.
\е
1/V
Рис. 3. Поперечно расфокусированный интерферометр
Рис.4. Вид интерферограммы, полученной в соответствии со схемой рис. 2
Твайман предложил на основании сведений о форме волнового фронта рассчитывать интенсивность светового поля, заложив таким образом основу косвенного метода
экспериментального исследования качества оптической системы. Схема интерферометра Тваймана показана на рис.5.
10
Рис. 5. Интерферометр Тваймана для исследования объектива: 1,2,3 - осветительная
система, 4 - точечная диафрагма, 5 - коллиматорный объектив, 6 - светоделитель, 7 - исследуемый объектив, 8 - сферическое образцовое зеркало, 9 - его центр кривизны, 10 - плоское образцовое зеркало, 11 - объектив наблюдательной системы, 12 - наблюдательная диафрагма, 13 - приемник изображения, 14 - интерферограмма
Общий вид интерференционной картины позволяет опознать характер преобладающей аберрации для исследуемой системы (рис. 6).
Рис. 6. Общий вид интерференционной картины позволяет опознать характер преобладающей аберрации для исследуемой системы. Интерферометр ФИЗО
Контроль плоской поверхности
Высокая чувствительность к вибрации двухлучевого интерферометра Тваймана послужила стимулом к поиску схемных решений интерферометров, в которых этот недостаток снижен. В наши дни получил распространение интерферометр Физо. В его схеме рабочее плечо, содержащее исследуемую поверхность или систему, совмещено с опорным плечом, содержащим образцовую деталь или поверхность, формирующую опорный волновой фронт. Такое совмещение стало возможным благодаря применению в качестве образцовой детали с образцовой поверхностью, работающей в проходящем свете.
На рис. 5 дана схема интерферометра Физо для контроля плоской поверхности. Здесь в качестве образцовой применяется пластина 8, фронтальная поверхность выполнена с образцовой точностью (на уровне до 1/20 X). В практике контроля поверхностей средней точности погрешности образцовой поверхности в интерферометре по традиционной схеме принято считать пренебрежимо малыми.
С целью исключения влияния паразитной интерференционной картины, возникающей при отражении плоского фронта от обратной, нерабочей поверхности образцовой пластины, эта поверхность выполнена с небольшой клиновидностью, порядка 0.5-1 мм снижения толщины от верхнего края пластины к нижнему. При этом возникающая паразитная интерференционная картина от обратной поверхности имеет полосы высокой частоты (порядка 1000 полос на всю поверхность), которые практически не разрешаются приемником изображения и не мешают восприятию основной интерферограммы.
Рис.7. Схема интерферометра Физо при контроле плоской оптической поверхности: 1 - лазер, 2 - отрицательный компонент осветительной системы, 3 - наклонное зеркало, 4 - объектив осветительной системы, 5 - точечная диафрагма , 6 - коллиматорный объектив, 7 - светоделитель, 8 - пластина с образцовой плоской фронтальной поверхностью, 9 - исследу- емая плоская поверхность, 10 - объектив наблюдательной системы, 11 - наблюдательная диафрагма, 12 - объектив регистрации интерферограммы (линза Бертрана), 13 - регистри-рующая камера, 14 - электронный блок телевизионного анализатора интерферограмм, 15 - телевизионный монитор, 16 - пульт управления
Контроль сферической поверхности
Интерферометр построен по схеме автоколлимационного микроскопа, в которой между исследуемой поверхностью и микрообъективом установлен мениск. Фронтальная поверхность мениска играет роль образцовой поверхности, отражая волновой фронт сравнения, интерферирующий с волновым фронтом, отраженным от исследуемой оптической поверхности.
4 5 6 7 8 9
Рис. 8. Схема интерферометра Физо при контроле сферической оптической поверхности: 1 - лазер, 2 - отрицательный компонент, осветительной системы, 3 - наклонное зеркало, 4 - объектив осветительной системы 5 - точечная диафрагма, 6 - коллиматорный объектив, 7 - светоделитель , 8 - объектив интерферометра с образцовой фронтальной поверхностью, 9 - исследуемая деталь , 10 - объектив осветительной системы, 11 - наблюдательная диафрагма, 12 - объектив регистрации интерферограммы (линза Бертрана), 13 -регистрирующая камера, 14 - электронный блок телевизионного анализатора интерферограмм (ТАИ), 15 - телевизионный монитор, 16 - пульт управления ТАИ
Рис. 9. Общий вид интерферометра Физо в агрегате с анализатором интерферограмм
ТАИ-1, при контроле линзы
Рис.10. Контроль линзы на интерферометре Физо
По виду интерференционной картины определить величину ошибки исследуемой оптической поверхности как отношение максимальной стрелки прогиба интерференционной полосы к шагу (периоду) полосы.
AN = l / h
Рис. 11. Методика определения максимальной ошибки волнового фронта по интерфе-рограмме исходя из оценки соотношения стрелки прогиба полосы с ее шагом
На рис. 11 - 17 показаны схема для контроля объектива на интерферометре Физо, общий вид установки и ее элементов.
4 5 6 7 8 9 18 19
13
Рис.12. Схема интерферометра Физо при контроле объектива
Рис. 13. Общий вид интерферометра Физо при контроле объектива
Рис.14. Контроль объектива Гелиос-44 на интерферометре Физо
Низкая чувствительность к вибрациям принесла широкую популярность интерферометрам по схеме Физо при контроле оптических изделий средней точности.
В табл. 2 показаны разновидности конструктивных решений интерферометра Физо для различных целей. Выпускаемые комплексы оснащены компьютерами, видеовыходом и дорогостоящим программным обеспечением. Однако их точностные возможности, как показано далее, ограничены необходимостью применения в их конструкции образцовых деталей, точность которых неизбежно ограничена и находится на уровне А/20.
Рис.15. Интерферограмма объектива Гелиос-44
Рис. 16. Объектив Индустар-50 на интерферометре Физо
Рис. 17. Интерферограмма объектива Индустар-50 Анализ погрешностей метода интерферометрии
Ограничение интерферометрического метода в его исходной форме состоит в том, что освещенность поперек полосы изменяется по синусоидальному закону, контуры полос неотчетливы и поэтому погрешность визуальной расшифровки не менее 0,05 ширины полосы. Современные методы специальной регистрации дают возможность преобразовать структуру изображения к виду, позволяющему достичь максимально возможной точности при его расшифровке. Как видно из рис. 18, плавная пограничная зона преобразована в четкую штриховую линию.
Практика работы интерферометров с обработкой интерференционного изображения с целью повышения точности измерения координат полос (например, при помощи разработанного [2-3] анализатора интерферограмм ТАИ-1, рис. 19-21) показала возможность обнаружения и оценки ошибок волнового фронта на уровне 0,005 X в реальном времени в интерактивном режиме. Показано полученное таким способом изображение интерферограммы. Сферические вогнутые поверхности могут контролироваться таким прибором с точностью лучше 0,01 длины волны. Достигнутый результат, на наш
взгляд, является достаточно убедительным, так как во многих областях исследований повышение точности, например, в 2 раза служит серьезным достижением.Получена экспериментальная зависимость среднеквадратической погрешности наведения на границу интерферограммы от уровня градиента.
Рис. 18. Экспериментальная зависимость среднеквадратической погрешности наведения на границу интерферограммы от уровня градиента
Таблица 1. Разновидности конструктивных решений интерферометра Физо (фирмы
Möller-Wedel)
Анализ источников погрешностей метода интерферометрии на основе разработанной модели показал, что погрешность измерения ошибки рефракции оптических систем и элементов определяется погрешностью измерения координаты границы элемента ин-терферограммы, но эта граница является нерезкой.
Показано, что среднеквадратическая погрешность ан наведения измерительной марки на край не вполне резкого элемента изображения зависит от величины максимального пограничного градиента gmax в этом изображении и связана с ней практически обратно пропорциональной зависимостью.
Рис. 19. ТАИ-1 - анализатор интерферограмм в режиме оп-Нпв
Рис. 20. Режим выделения центров интерференционных полос
Рис. 21. Генерация управляемой опорной шкалы как модели идеальной интерферограммы
Таблица 2. Этапы обработки интерферограмм
Высокоточная обработка и интерпретация сложных интерферограмм
С целью восстановления фазы волнового фронта и топографии поверхности используется коммерческая программа обработки интерферограмм ZEBRA MathOPTIX [3], разработанная на кафедре прикладной и компьютерной оптики, а также программное обеспечение обработки интерферограмм, созданное на кафедре компьютерных технологий [4]. Программа ZEBRA MathOPTIX обладает целым набором математических и сервисных возможностей, предоставляемых пользователю в соответствии с принятыми в мире стандартами индустриально используемых интерферометров. В этом смысле выходная информация, которая формируется в программе ZEBRA MathOPTIX, аналогична программному обеспечению интерферометров таких ведущих фирм, таких как Zygo, Veeco и Möller-Wedel. Авторами-разработчиками программы ZEBRA MathOPTIX являются сотрудники кафедры прикладной и компьютерной оптики В.М. Домненко и Д.А. Гаврилин.
Обработка интерферограмм производится в несколько этапов, что иллюстрируется представленными в табл. 2 изображениями.
Выводы
1. Рассмотрен аппаратурно-программный комплекс для автоматизированного контроля качества деталей и систем объективов.
2. Реализован синтез лазерной интерферометрии и аналоговой телевизионной обработки и интерпретации интерферограмм, показала возможность обнаружения и оценки ошибок волнового фронта на уровне 0,005 X в реальном времени в интерактивном режиме.
3. Разработаны аппаратура и технология контроля с применением компьютерной автоматической расшифровки и всесторонней цифровой обработки интерферограмм, что создает новые возможности универсальности и гибкости процесса контроля в соответствии с конкретными задачами реального производства.
Литература
1. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. - Л.:Машиностроение,1983.
2. Кирилловский В.К. Оптические измерения. Часть 5. Аберрации и качество изображения. - СПб: СПб ГУ ИТМО,.2006.
3. Кирилловский В.К. Применение телевидения при контроле и аттестации оптических систем. - Л.: ЛИТМО, 1983.
