КОНТРОЛЬ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТРАЖАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ SiO2 + H2O + ZrO2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ, ПОСТРОЕННОЙ НА БАЗЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФИЗО
КОНТРОЛЬ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТРАЖАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ SiO2 + H2O + ZrO2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ, ПОСТРОЕННОЙ НА БАЗЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФИЗО
Аннотация
В работе рассмотрены вопросы контроля плоских поверхностей отражателей на основе SiO2 + H2O + ZrO2 экспериментальной установкой, построенной на базе интерферометра Физо. В настоящее время оптическое приборостроение большое внимание уделяется оптической компонентной базе для совершенствования оптических и оптико-электронных приборов, поэтому представленная работа перспективна и актуальна. В работе приведены оптическая схема, внешний вид и технико-эксплуатационные характеристики установки. Получены данные о поверхностях плоских отражателей разных геометрических форм. Проанализированы интерферограммы оптических поверхностей и исследованы представленные образцы в поперечном и продольном направлениях.
1. Введение
В настоящее время оптическое приборостроение заинтересовано в создании современных оптических и оптико-электронных приборах и комплексах, удовлетворяющих новым вызовам в мировой оптотехнической промышленности , .
Разработчики прикладывают максимальные усилия для того, чтобы вывести на новый уровень технические характеристики оптотехнических средств, в частности, увеличить точность измерений, расширить диапазон измерений, сделать их компактными и удобными в эксплуатации , .
Особое внимание уделяется оптической компонентной базе этих приборов и комплексов. Оптические предприятия и объединения применяют механические, химические, а также оптические технологии для получения высококачественных оптических компонентов, деталей, покрытий, которые используются в выпускаемой продукции. Улучшение конструкции оптических и оптико-электронных приборов решает проблему функциональности, которая является основным показателем качества продукции , .
На сегодняшний день в оптическом приборостроении плоские отражатели на основе SiO2 + H2O + ZrO2 изготавливаются для оптических систем приборов и комплексов различного назначения. Они применяются в колориметрических приборах с однополосной и двухполосной интегрирующих сферах, рефрактометрических приборах в качестве отражательных зеркал, интерференционных приборах где необходимы опорные отражатели и т.д. , .
Для измерений оптических плоских поверхностей используют оптико-электронные комплексы на основе интерферометра Физо. Интерферометр Физо – прибор, в котором появляется интерференция между двумя отражающими поверхностями.
Научно-техническая литература подчеркивает, что выявление плоскостности поверхностей можно проводить с точностью 1/20 l…1/30 l на интерферометре Физо , .
Поэтому может представлять интерес исследование плоских отражателей на основе SiO2 + H2O + ZrO2. В связи с разработкой большого числа различных оптических деталей для высокоточных оптических приборов и систем важное значение приобретает рассмотрение вопросов контроля качества оптических поверхностей.
Целью работы явилось исследование плоской поверхности отражателя на основе SiO2 + H2O + ZrO2 экспериментальной установкой, построенной на базе интерферометра Физо.
2. Методы и принципы исследования
2.1 Постановка задачи
Для высокоточных оптических и оптико-электронных приборов и комплексов отражатели (зеркальные и матовые) являются одними из основных оптических элементов. И от того, какая плоскостность оптической поверхности отражателя зависят достоверность, информативность и точность измерений.
В работе необходимо провести контроль поверхности плоских отражателей разных геометрических форм (прямоугольные, круглые и трапецеидальные). Проанализировать интерферограммы оптических поверхностей. Исследовать представленные образцы в поперечном и продольном направлениях. Выявить деформационную составляющую и дать оценку качеству изготовленных поверхностей плоских отражателей.
2.2 Объекты и метод исследований
В качестве объектов исследования были плоские отражатели разных геометрических форм с одинаковой толщиной s = 0,15 мм и толщиной покрытия рабочей части образцов равной 10 мкм.
Для получения интерферограмм и экспериментальных зависимостей коэффициента отражения в продольном (x) и поперечном (y) направлениях от плоских поверхностей образцов использовалась экспериментальная установка на базе интерферометра Физо. На рисунке 1 показан внешний вид установки.
Рисунок 1 - Внешний вид экспериментальной установки
На рисунке 2 дана оптическая схема интерферометра Физо. В качестве эталонной поверхности используется фронтальная поверхность клиновидной пластины, выполненная с образцовой точностью на уровне 1/20 l.
Рисунок 2 - Оптическая схема интерферометра Физо:
1 – источник когерентного излучения; 2 – микрообъектив; 3 – светоделитель; 4 – коллимирующий объектив; 5 – клиновидная пластина с эталонной поверхностью; 6 – контролируемая поверхность образца; 7 – плоскость наблюдения
Технико-эксплуатационные характеристики экспериментальной установки:
– предельная инструментальная погрешность – l/20;
– апертура проверяемых поверхностей не более – 0,25;
– числовая апертура объектива – 0,2;
– пределы перемещения интерференционной головки по 3-м осям, мм – ± 10;
– приемники изображения – фотокамера «Зенит» и цифровая камера ToupCam;
– источник света – лазер ЛГ-79-1;
– длина волны излучения, мкм – 0,63;
– габаритные размеры, мм – 700×350×520;
– масса, кг – 60.
3. Экспериментальные результаты
В результате экспериментальных измерений были получены интерферограммы рабочих плоских поверхностей образцов разной геометрической формы. На рисунке 3 приведены результаты съемок. В процессе измерений необходимо было получить информацию о деформации исследуемых волновых фронтов оптических изделий. Полученные интерферограммы были обработаны компьютерной программой Master Zebra. Изображения интерферограмм были преобразованы в графический формат файлов (tiff). Программой была проведена аппроксимация функции деформации волнового фронта по полиномам Цернике. После чего программа выводила на дисплей основные параметры деформации: размах (S), и среднее квадратичное отклонение (s).
Для прямоугольного образца:
S = 0,331278 мкм, s = 0,073257 мкм.
Для круглого образца:
S = 0,213561 мкм, s = 0,051123 мкм.
Для трапецеидального образца:
S = 0,712341 мкм, s = 0,091599 мкм.
Плоские поверхности были измерены с точностью не хуже 0,05 λ.
Рисунок 3 - Интерферограммы оптических поверхностей:
а - прямоугольный отражатель; б - круглый отражатель; в - трапецеидальный отражатель
В работе проведены исследования с применением другой компьютерной программы Interferometer, которая позволила получить данные о коэффициенте отражения при смещении поверхности объекта по координатам x и y. На рисунке 4 приведены зависимости коэффициента отражения от продольного и поперечного смещений поверхности.
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента отражения от перемещения исследуемого образца по координатам x (а) и y (б):
1 – круглый образец; 2 – прямоугольный образец; 3 – трапецеидальный образец
Графические зависимости показали, что все поверхности исследуемых образцов имели высокие значения коэффициента отражения в поперечном направлении от 99…99,4%, а также в продольном направлении от 98,4…99,2%.
Незначительная деформация кривых распределения доказывает, что все испытуемые образцы изготовлены на высоком уровне и могут использоваться в оптических и оптико-электронных приборах разного назначения.
4. Заключение
Получены экспериментальные результаты контроля плоских отражателей на основе SiO2 + H2O + ZrO2 интерференционной установкой как в продольном направлении, так и в поперечном направлении. Приведены интерферограммы поверхностей, которые были обработаны компьютерной программой MasterZebra и получены основные параметры деформации волновых фронтов. Исследования показали, что измеренные поверхности отражателей удовлетворяют требованиям оптического контроля и могут применяться в оптических и оптико-электронных приборах о комплексах. Данная работа представляют интерес для оптического приборостроения.