Интерференционные измерительные системы для анализа оптически чистых поверхностей

Фирма Zygo была основана в 1970 году (Р. Forman, С. Zanoni и S. Laufer. Главная цель создания компании — разработка инструментальных средств для изготовления оптических изделий мирового класса.

В 1978 году фирма Zygo выпустила интерференционную систему Mark II. В ее состав входили полуавтоматическая микропроцессорная система обработки информации ZAPP (Zygo Automatic Pattern Processor), телевизионная система ввода и отображения. Это была первая интерференционная система, специально разработанная для использования в промышленности [8]. Процессор ZAPP предназначался для автоматической расшифровки интерферограмм. ZAPP-система сканировала телевизионное изображение и выделяла центры интерференционных полос. Затем методом наименьших квадратов определялся наиболее подходящий фронт и в каждой точке вычислялись наибольшее и среднеквадратичное отклонения от найденной поверхности. Возможность быстро и точно анализировать интерференционную картину позволила значительно повысить эффективность системы и снизить требования к оператору при работе с ней. Для увеличения точности, разрешения, скорости обработки система была сопряжена с компьютером PDP-11 /03.

В 1980 году фирма Zygo выпустила интерференционную систему Mark III, которая предназначалась для промышленного и лабораторного контроля параметров оптических изделий [8]. Фазовая информация определялась в ней с помощью управляемого фазового сдвига. Такие методы измерения фазы дают более высокую точность и способны анализировать волновые фронты более сложной формы благодаря большей пространственной плотности измеряемых значений по сравнению с методом выделения центров полос. Фазовый сдвиг вносится с помощью специального устройства, объединенного с опорной поверхностью интерферометра Физо. Устройство ввода, выполненное на основе фотодиодной матрицы 100×100 элементов, синхронизировано с устройством внесения сдвига. Полный оптический анализ производится в микропроцессорных системах на базе компьютеров PDP-11/03, HP 9816, HP 9836 в зависимости от комплектации.

В 1985 году фирма Mark III заменен интерферометрической системой Mark IV, которая управлялась другим компьютером и обладала более мощным программным обеспечением. Это была первая система, которая позволила пользователю самостоятельно работать с предоставляемыми пакетами программ.

В 1993 году фирма Zygo начинает выпускать семейство GPI интерферометров, которые заменили системы Mark. Семейство GPI обладает дополнительными возможностями измерений, более высокой точностью и имеет меньшую стоимость. Интерферометры GPI обеспечивают бесконтактное измерение плоских или сферических поверхностей, а также формы волнового фронта, проходящего через оптические элементы, широкий диапазон операций при анализе данных: от простого визуального контроля до автоматического высокоточного измерения методом управляемого фазового сдвига. Все модели GPI имеют по существу единую цель, но различаются возможностями при обработке и анализе данных (рис. 6.15).

Корпорация WYKO основана в декабре 1982 года на базе Оптического научного центра университета Аризоны. Основное направление деятельности: разработка и изготовление бесконтактных цифровых интерференционных систем, необходимых при производстве оптических изделий, лазерных, магнитных носителей, полупроводниковых, металлических, керамических, пластиковых материалов. В 1985 году был разработан инфракрасный интерферометр IR3, предназначенный для контроля качества оптических или подвергаемых механической обработке поверхностей (включая небольшую асферику) с шероховатостями до 1мкм до полировки, а также для контроля пропускающих инфракрасное излучение оптических элементов. Интерферометр IR3 имеет управляемый сдвиг фаз. Используемая длина волны 10.6 мкм. Точность измерения.

Рис. 6.15. Внешний вид автоматизированной системы фирмы Zygo.

1/50 длины волны. В 1988 году выпущен WYKO 6000, а в 1991 годуWYKO 400. Измерительной частью этих систем является интерферометр Физо с управляемым фазовым сдвигом. Алгоритм расшифровки позволяет обеспечить точность 0.01 длины волны.

Анализ цен на системы фирмы Zygo показал, что стоимость устройств управления фазовым сдвигом, электронных блоков ввода изображений и программного обеспечения составляет от 46 до 66% от их общей стоимости. В настоящее время наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению стоимости доли электронных блоков и программного обеспечения. В то же время оптическая часть систем практически не меняется. Основное назначение таких систем — контроль изделий с оптически чистой поверхностью. Контролироваться могут стеклянные или плоские пластиковые пластины, линзы, объективы, призмы, металлические изделия, требующие большой точности при изготовлении (например, компьютерные диски), полированные керамические пластины, контактные линзы. Для анализа объектов с небольшой шероховатостью поверхности используются инфракрасные источники освещения. Такие системы имеют большую стоимость и не могут обеспечить всех потребностей, возникающих при высокоточном контроле промышленных изделий. Рельеф большинства деталей имеет форму, отличную от плоскости или сферы, шероховатую поверхность. Поэтому разработка измерительных систем, способных анализировать как оптически чистые, так и шероховатые поверхности, представляет актуальную задачу современной техники.

Рассмотрим несколько систем, разработанных в НГТУ в 1980; 2002 годах.