Development of reference free interferometer

Проблемы интерферометрии

Ключевой проблемой традиционной интерферометрии является то, что в этом методе измеряются отклонения формы (аберрации) ПО ОТНОШЕНИЮ к эталону, иными словами, это относительные измерения. Не смотря на то, что эталоны являются дорогостоящими оптическими элементами, однако их качество практически ничем, кроме выданных сертификатов, не подтверждается. Это одна из причин, почему, зачастую, при использовании различных приборов для изучения одной и той же детали, результаты измерений сильно различаются, причем эти различия наблюдаются на уровне λ/3- λ/10.

Другая проблема использования эталонов заключается в том, что при их закреплении в механические оправы и последующей установке в приборы, поверхности неконтролируемым образом деформируются. Степень деформации сильно зависит от силы затяжки при установке. Как показывают эксперименты, эти деформации могут достигать уровня λ/5- λ/50.

Имеются ошибки эталона, связанные с гравитацией. Например, эталон из кварца, диметром 200 мм, толщиной 50 мм, под действием силы тяжести искажается на 30 нм (порядка λ/20!).

В компаниях Zeiss и Сanon, а так же в исследовательских лабораториях США (LBL, NASA) проблемы решаются за счет использования интерферометров с дифракционной волной сравнения (ИДВС). В ИДВС сферическая волна сравнения (эталонная волна) формируется при дифракции света на малом, порядка длины волны, отверстии в непрозрачном экране, или на выходе одномодового оптического волокна.

Качество дифракционной волны определяется хорошо изученными законами электродинамики. Более того аберрации генерируемой волны могут быть измерены в опыте Юнга, по интерференции двух волн от подобных источников. Иными словами, этот тип интерферометра не требует эталонов и обладает функцией самокалибровки.

Однако практическое использование этих интерферометров столкнулось с серьезнейшими проблемами. В частности, интерферометры на основе одномодового оптического волокна, из-за большого, несколько микрометров, диаметра кора d (угловая апертура дифрагированной волны определяется отношением λ/d) обладают очень низкой рабочей апертурой и сильной неоднородностью интенсивности генерируемой волны. Кроме того, физическим ограничением точности этого метода являются эффекты взаимодействия излучения с материалом экрана в краевой области.

Наш подход

Для уменьшения размера источника и, соответственно, увеличения рабочей апертуры сферической волны мы предложили использовать в качестве источника сферической волны одномодовое оптическое волокно с зауженной выходной апертурой. Острый конус на выходе волокна формируется методом химического травления. Для того, чтобы свет не покидал волновод боковые стороны конуса металлизируются.

Нами был найден оптимальный диаметр апертуры, на уровне 0,2-0,3 мкм, обеспечивающий высокое качество волнового фронта, удовлетворительную однородность и достаточную для регистрации с помощью видеокамеры на основе ПЗС матрицы величину интенсивности.

На основе этого источника были разработаны несколько образцов лабораторных интерферометров. Был разработан ряд оптических схем для изучения основных типов оптических элементов и систем, позволяющих изучать их форму (аберрации) с субнанометровой точностью и показавшие уникальные возможности ИДВС на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой.

Другой важнейшим элементом интерферометра является программное обеспечение, выполняющее, помимо управления узлами прибора, задачи цифровой регистрации интерферограмм, их математической обработки и восстановления аберраций оптической системы или формы поверхности по экспериментальным данным. Различаются два метода регистрации и, соответственно, восстановления параметров волнового фронта по данным интерферометрии.

Первый метод, так называемый амплитудный. Суть метода заключается в измерении отдельных интерферограмм с последующей их обработкой (фильтрация) и аппроксимацией формы поверхности (аберраций), чаще всего полиномами Цернике. Достоинствами этого метода являются относительная простота алгоритма и меньшая чувствительность к вибрациям, и случайным сдвигам интерференционной картины.

В последние годы большое внимание уделяется развитию фазосдвигающей интерферометрии. Так как этот метод сильно чувствителен к вибрациям и случайным сдвигам интерферограмм, то наибольшие усилия исследователей направлены на разработку алгоритмов, устойчивым к указанным внешним воздействиям.

Несмотря на большие перспективы ИДВС, до сих пор не создан интерферометр, который может быть представлен на мировой рынок. Его разработка и составляет главную цель настоящего проекта

Концепция прибора

Ниже на рисунке представлена оптическая схема предлагаемого в проекте прибора.

Работа интерферометра происходит следующим образом. На выходе ВИСВ формируется эталонная сферическая волна. Часть волнового фронта падает на исследуемую деталь (напр. сферическое зеркало), другая – распространяется по регистрирующей системе и падает на ПЗС матрицу (Камера 1).

Регистрирующая система образована объективом и двумя линзами (ПВЛ1 и ПВЛ2), передающих уменьшенное изображение исследуемой детали на ПЗС матрицу. Отраженный от исследуемой детали волновой фронт (рабочий фронт, несущий информацию об ошибках исследуемой поверхности детали) фокусируется в непосредственной близости к выходу ВИСВ на плоское зеркало с острой кромкой и далее распространяется по пути эталонного фронта с небольшим клином.

В результате интерференции эталонного и рабочего фронтов на ПЗС матрице формируется интерференционная картина.

Для грубой юстировки исследуемой детали в БЭИДВС имеется второй канал регистрации. Для этих целей после линзы ПВЛ1 вводится плоское зеркало, отражающее падающие сходящиеся фронты в направлении второй ПЗС матрицы (Камера 2), на которой изображаются два пятна. Первое – от эталонного фронта, идущего от ВИСВ напрямую в объектив, второе – от фронта, отражённого от измеряемой оптической детали.

Ниже на рисунке приведена концепция конструктивного облика опытного образца БЭИДВС на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой.

Семинары

«Разработка безэталонного интерферометра для прецизионных измерений аберраций оптических элементов и систем», 26.12.2018