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

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.

2.1 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

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.14.1

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.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.14.2

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.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.14.3

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.

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

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.14.4

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.

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.