CONTROL OF A SiO2 + H2O + ZrO2 FLAT SURFACE REFLECTOR WITH A SYSTEM DESIGNED ON THE BASIS OF A FIZEAU INTERFEROMETER

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.14
Issue: № 4 (130), 2023
Suggested:
23.01.2023
Accepted:
03.04.2023
Published:
17.04.2023
790
4
XML
PDF

Abstract

The work considers the control of flat surfaces of reflectors based on SiO2 + H2O + ZrO2 by experimental setup based on Fizeau interferometer. At present, much attention is paid to optical components for the improvement of optical and optoelectronic devices, so the presented paper is promising and relevant. The article presents an optical scheme, appearance and technical and operational characteristics of the unit. Data on surfaces of flat reflectors of different geometric shapes are obtained. The interferograms of optical surfaces are analysed, and the presented samples are examined in transverse and longitudinal directions.

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.

Внешний вид экспериментальной установки

Рисунок 1 - Внешний вид экспериментальной установки

Для измерений плоскостных оптических поверхностей образцов применяют интерферометр Физо. В интерферометре объектной ветви, в которой находится исследуемая поверхность объекта, совмещается с опорной ветвью, где расположена образцовая (эталонная) поверхность, формирующая опорный волновой фронт. Такая схема работает благодаря проходящему свету через эталонную поверхность.

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.

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

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

Свет от когерентного источника 1 (ЛГ-79-1 – He-Ne лазер с l = 0,63 мкм, P = 15 мВт и lc = 50 см) собирается и фокусируется микрообъективом 2. В фокусе микрообъектива установлена точечная диафрагма, которая отсекает пространственные частоты и улучшает однородность светового пучка. Далее световой пучок преобразуется в расходящийся, который после светоделителя 3 преобразуется в коллимирующий объективом 4. Параллельный пучок лучей, вышедший из объектива 4 отражается от верхней плоскости поверхности контролирующего образца 6 и от нижней плоскости поверхности эталона 5. В обратном ходе лучи пройдя объектив 4 и, отразившись от светоделителя, формируют интерференционную картину полос равной ширины в плоскости наблюдателя 7. Ширину и направление полос регулируют перемещениями микрометрического стола.

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. 

Интерферограммы оптических поверхностей: а - прямоугольный отражатель; б - круглый отражатель; в - трапецеидальный отражатель

Рисунок 3 - Интерферограммы оптических поверхностей:

а - прямоугольный отражатель; б - круглый отражатель; в - трапецеидальный отражатель

На рисунке 3 показаны интерферограммы поверхностей где отсутствует какая-либо сферичность, то есть нет аберраций, а значит, поверхность высокого качества. Само интерференционное изображение высокого качества, чистоты поверхности и отсутствуют шумы. С помощью компьютерной программы Master Zebra обеспечили высокую надежность опознания и измерения координат интерференционных полос, стабильную повторяемость выходных числовых величин, что является гарантией достоверности и точности экспериментальных данных. Также проанализированы карты и профили деформаций волновых фронтов, которые подтверждают высокое качество поверхностей.

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.

Зависимость коэффициента отражения от перемещения исследуемого образца по координатам x (а) и y (б): 1 – круглый образец; 2 – прямоугольный образец; 3 – трапецеидальный образец

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

У всех представленных образцов измерялась рабочая поверхность в продольном направлении от 0…10 мм и в поперечном направлении от 0…10 мм.

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.

Article metrics

Views:790
Downloads:4
Views
Total:
Views:790