Разработка безэталонного интерферометра

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.

Семинар

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

XXIV симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», г. Нижний Новгород. 10-13 марта 2020 г.

Доклад «Интерферометр с дифракционной волной сравнения для индустриальных применений»

Ход выполнения проекта

1-й ЭТАП (2018 Г), ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработаны концепция и оптическая схема безэталонного интерферометра с дифракционной волной сравнения. При их разработке учитывался опыт ведущих производителей интерферометрического оборудования для оптической промышленности. Основными критериями стали компактность и возможность использования прибора, как с вертикальной, так и горизонтальной геометрии; возможность амплитудного и фазового режимов регистрации и обработки интерферограмм; использование собственного, наращиваемого со временем, программного обеспечения. Так же был учтен и собственный опыт разработки и эксплуатации интерферометров с дифракционной волной сравнения (ИДВС). В рамках концепции предполагается широкое применение оптоволоконных технологий вместо традиционных оптических элементов; использование в качестве источника эталонной сферической волны одномодового волокна с субволновой выходной апертурой, стабилизированного по мощности и длине волны He:Ne лазера с магнитооптическим изолятором. Предусмотрен второй канал регистрации для дистанционной настройки исследуемой детали. Для эффективного использования интерферометра оптическая часть регистрирующей системы допускает изменение апертуры без дополнительной юстировки прибора.
2. Стенд для изучения аберраций ИЭСВ и оптической части регистрирующей системы, позволяющий раздельно изучать аберрации источников эталонной сферической волны и оптической части регистрирующей системы.
3. Оптическая часть регистрирующей системы, позволяющая изменять рабочую апертуру интерферометра без дополнительной юстировки прибора.
4. Контроллер для управления фазой ИЭСВ и ИМИЭСВ, управляемый от ЦАП видеокамеры. Наличие двух каналов позволяет одновременно управлять фазой двух типов источников эталонной сферической волны.
5. Компьютерная программа с закрытыми кодами для регистрации и обработки интерферограмм в амплитудном режиме. Программа обеспечивает необходимый функционал для проведения интерферометрических измерений в амплитудном режиме. В частности, позволяет настраивать чувствительность ПЗС матрицы, обеспечивать непрерывный (с заданной скоростью повторения кадров) видеопоток и регистрировать отдельные интерферограммы с требуемой временной экспозицией; запоминать отобранные интерферограммы; проводить фильтрацию изображений с переменными параметрами фильтра; обрабатывать и находить
   минимумы, максимумы (или то и другое) интерференционной картины. Восстанавливать карты по данным интерферометрии; усреднять отобранный набор карт; представлять аберрации в виде коэффициентов при полиномах Цернике; изменять по желанию порядок полиномов Цернике, используемых при аппроксимации; отбраковка областей интерферограмм; выбор области аппроксимации и ряд других, менее значимых, однако удобных на практике функций.
6. Технологический маршрут изготовления ИЭСВ. Это ключевая технология, на которой основывается весь проект, и которая обеспечивает изготовление ИЭСВ с рекордными, ангстремными и даже суб-ангстремными, в зависимости от рабочей апертуры, аберрациями сферического волнового фронта. Технологический маршрут охраняется в режиме Коммерческой тайны.
7. Экспериментальные образцы ИЭСВ.

2-й ЭТАП (2019 Г), ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработана ЭКД, изготовлен и запущен в макет безэталонного интерферометра с дифракционной волной сравнения БЭИДВС на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой. При его разработке учитывался опыт ведущих производителей интерферометрического оборудования для оптической промышленности. Благодаря широкому использованию оптоволоконных технологий прибор отличается компактностью, имеет возможность амплитудного и фазового режимов регистрации и обработки интерферограмм с использование собственного программного обеспечения. Испытания технических характеристик показали, что прибор обеспечивает субнанометровую, RMS<1 нм точность измерений формы поверхности оптических деталей с числовой апертурой до NA=0,28.
2. Компьютерная программа с закрытыми кодами для регистрации и обработки интерферограмм в фазовом режиме. Программа обеспечивает необходимый функционал для проведения интерферометрических измерений в фазовом режиме. В частности, позволяет настраивать чувствительность ПЗС матрицы; обеспечивает непрерывный (с заданной скоростью повторения кадров) видеопоток с требуемой временной экспозицией; запоминает отобранные интерферограммы; проводит фильтрацию изображений с переменными параметрами фильтра интерференционной картины; восстанавливает карты поверхности по данным интерферометрии; усреднят отобранный набор карт; представляет результаты измерений в виде рельефа высот или по коэффициентам при полиномах Цернике; изменят по желанию порядок полиномов Цернике, используемых при аппроксимации; отбраковывает нежелательные области интерферограмм; выбирает области аппроксимации и имеет ряд других, менее значимых, однако удобных на практике функций.
3. Технологический маршрут изготовления ИМИЭСВ. Это ключевая технология, на которой основывается проект, и которая обеспечивает одновременно, и формирование эталонной сферической волны с рекордными, ангстремными и даже суб-ангстремными, в зависимости от рабочей апертуры, аберрациями сферического волнового фронта, так и перенаправляет рабочий фронт, несущий информацию о дефектах исследуемой поверхности или аберрациях оптической системы, в регистрирующую часть интерферометра. Разработанный в рамках 2-го этапа технологический маршрут охраняется в режиме Коммерческой тайны.
4. Разработана ЭКД и изготовлены экспериментальные образцы «бездеформационных» оправ. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование различных конструкций «бездеформационных» оправ для монтажа высокоточных оптических элементов в металлические оправы. Сформулированы основные принципы, позволяющие минимизировать деформации поверхности при их монтаже в металлическую оправу, а так же искажения формы, вызванные весом детали. Выбран оптимальный метод на основе гибких пластин, сочетающий в себе минимальные деформации закрепления и «веса», и технологичность изготовления оправы.
5. Экспериментальные и изготовленные по доработанному технологическому маршруту образцы ИМИЭСВ.
6. Контроллер для управления фазой ИЭСВ и ИМИЭСВ, управляемый от ЦАП видеокамеры. Наличие двух каналов позволяет одновременно управлять фазой двух типов источников эталонной сферической волны.
7. Изучено влияние поляризации вышедшей из источника эталонной сферической волны на ее аберрацию. Показано, что поляризационные эффекты должны быть учтены при практическом использовании интерферометров с дифракционной волной сравнения. В частности, с целью минимизации ошибок измерений необходимо экспериментально исследовать влияние поляризации вышедшей из источника волны на аберрации волнового фронта.

1-й КВАРТАЛ 3-го ЭТАПА (2020 Г), РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработана компьютерная программа с закрытыми кодами, обеспечивающая полное управление прибором, регистрацию и обработку интерферограмм для опытного образца безэталонного интерферометра с дифракционной волной сравнения (БЭИДВС) на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой.
2. Доработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) по результатам испытаний макета БЭИДВС на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой.
3. Разработана ЭКД на опытный образец БЭИДВС на основе одномодового оптического волокна с субволновой выходной апертурой.
4. Разработка ЭКД на зеркала-эталоны и «бездеформационные» металлические оправы для них.
5. Проведен расчет асферического корректора волнового фронта для изучения плоских поверхностей.
6. Проведены исследовательские испытания формы поверхности вогнутого сферического высокоточного зеркала-эталона.
7. Изготовлено вогнутое сферическое высокоточное зеркало-эталон в «бездеформационной» оправе.

Опытный образец безэталонного интерферометра с дифракционной волной сравнения (ИФМ РАН)

Оптическая схема БЭИДВС

1. Стаб. система с He-Ne лазером;
2. делитель пучка света на 2 канала;
3. поляризационные контроллеры;
4. фазо-сдвигающий элемент №2;
5. опт. волокно;
6. фазо-сдвигающий элемент №1;
7. объектив;
8. линза №1;
9. плоское зеркало;
10. видеокамера №2 (Канал 2);
11. линза №2;
12. видеокамера №1 (Канал 1);
13. сферическое зеркало.

Интегрированный модуль источника эталонной сферической волны (ИМИЭСВ) для БЭИДВС

ИМИЭСВ позволяет:

• жестко зафиксировать ИЭСВ и плоское зеркало (уход от механической настройки)
• реализовать фазовый режим регистрации интерферограмм

3D модель БЭИДВС (вид сверху)

1. Блок питания лазера;
2. Стабилизированный по мощности и длине волны He-Ne лазер;
3. Блок контроллера фазосдвигающих элементов;
4. Блок управления заслонкой для переключения режима работы и ПИД-регулятор для контроля температуры;
5. Оптоволоконные поляризационные контроллеры;
6. Пятикоординатный стол для ИМИЭСВ;
7. Пятикоординатный стол для объектива;
8. Пятикоординатный стол для проекционной линзы №1;
9. Видеокамера №2;
10. Заслонка для переключения режима работы интерферометра;
11. Пятикоординатный стол для проекционной линзы №2;
12. Видеокамера №1;
13. Пятикоординатный стол для оптических насадок с проходным диаметром до 100 мм.

Технические характеристики БЭИДВС

• Габаритные размеры: 600х400х300 мм
• Рабочая длина волны: 632,8 нм
• Числовая апертура (NA) оптической системы: 0,28 нм
• Тип измерений: амплитудный, фазовый
• Ориентация оптической оси: горизонтальная
• Точность измерений: < 2 нм (λ/300 RMS)
• Предельная точность измерений: λ/1000 RMS
• Типы измеряемых оптических элементов: вогнутые и выпуклые (с корректором) сферические поверхности, объективы, телескопы, плоскости (с корректором), асферическая оптика (с корректором)