Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования оптического контакта

В состав лазерного гироскопа входят следующие оптические детали, выполненные из стеклокерамики и подвергаемые процедуре посадки на оптический контакт (ОК): корпуса, подложки/зеркала, диски, ножки.

ОК применяется для устранения отражения и рассеяния света от поверхности раздела сред, а также для получения высокопрочных соединений в оптической технологии.

ОК приводит к высокопрочному сцеплению тел, обусловленному силами взаимодействия между молекулами, адсорбированными из воздуха на контактирующих поверхностях (в случае ОК в воздухе). В прочности ОК существенную роль играет вода, проникающая под действием капиллярных сил в микрошероховатости контактного слоя. С возрастанием её количества прочность ОК на разрыв увеличивается, а сдвиговая — падает. Показатель преломления ОК зависит от показателей преломления приведённых в контакт тел и количества воды в слое. При слабом неравномерном нагревании ОК легко нарушается. Со временем прочность ОК увеличивается, упрочнение происходит за счет перераспределения слоя воды по поверхностям контактируемых деталей, за счет утончения этого связующего слоя, а также за счет микроперемещений элементов поверхности и изменения свойств поверхностного слоя, которые приводят к уменьшению внутренних напряжений в контакте.

Геометрическая толщина ОК зависит от качества обработки соединяемых поверхностей и не является постоянной величиной в пределах всей контактирующей поверхности. Эффективная геометрическая толщина определяется как сумма средних значений высот микронеровностей обеих контактирующих поверхностей. В качестве приближения за эффективную толщину может быть принято среднее значение толщин слоев молекул воды и углеводородов, адсорбированных в ОК. Толщины слоев воды и углеводородов в ОК в нормальных условиях зависят от технологии и факторов изготовления поверхностей, высот микронеровностей контактирующей.

Прочностные свойства ОК определяются силами сцепления, действующими между контактирующими поверхностями. Различают нормальную составляющую определяющую прочность ОК на разрыв, и тангенциальную составляющую определяющую прочность на сдвиг. ОК достаточно стабилен по механическим свойствам, но с течением времени параметры и имеют тенденцию к небольшому увеличению, предельная величина которого зависит от материала контактирующей пары и качества полировки. После вакуумирования ОК и последующего пребывания его в атмосфере с высокой относительной влажностью увеличивается прочность на разрыв и резко (~ в 3 раза) снижается сдвиговая прочность, что связано с появлением тонкой прослойки воды, образовавшейся между контактирующими поверхностями в результате капиллярного всасывания. Удаляя молекулы углеводородов с поверхности твёрдых тел и пузырьки воздуха из контактного слоя, можно дополнительно увеличить прочность ОК (~ в 2 раза).

В условиях вакуума, когда с поверхности соединяемых твёрдых тел удалены адсорбированные молекулы, прочность ОК определяется ван-дер-ваальсовыми силами, обусловленными перекрыванием флуктуационного электромагнитного поля в отдельных зонах ОК. Для этого случая сила связи взаимодействующих тел определяется через диэлектрические проницаемости веществ, образующих ОК, и веществ, находящихся в зазоре; причём сила сцепления уменьшается пропорционально кубу расстояния между контактирующими поверхностями.

Оптические свойства ОК (отражение, преломление) определяются оптические свойствами контактирующих тел, количеством воды в слое и могут значительно меняться в пределах контакта.

На прочность ОК соединяемых деталей оказывает влияние множество факторов: чистота, шероховатость, неплоскостность соединяемых оптических деталей, различие ТКЛР контактируемых материалов.

Поверхности оптических деталей представляют собой части сферы у линз и сферических зеркал или части плоскости у пластинок, клиньев, призм и плоских зеркал. Такие поверхности могут иметь погрешности как по общей кривизне или плоскости, так и по местным пикам. Допуски на эти погрешности задаются количеством интерференционных колец или полос, или их долей.

На правильность измерения влияют вибрации, воздействующие на точность измерения, а так же температура в помещении.

Рис. 3.2. Контакт выпуклых поверхностей

Взаимодействие выпуклых поверхностей. При большом суммарном отступлении от плоскости в обеих контактирующих поверхностях при малом диаметре ОК силы упругости увеличиваются. Следовательно, для их уменьшения необходимо либо уменьшить высоту шаровых сегментов поверхностей, либо увеличить диаметр контактирующих тел.

Рис. 3.3. Контакт вогнутых поверхностей

Взаимодействие вогнутых поверхностей. Поскольку контактная площадь контактирующих фасок мала, то действие сил упругости аналогично контакту выгнутых поверхностей, будет незначительным. Следовательно, разрушающее напряжение при взаимодействии вогнутых поверхностей должно иметь большую величину, чем при контакте выпуклых.

Видно, что при контакте выпуклых поверхностей силы упругости составляют значительную величину от прочности оптического контакта.

Была установлена практически линейная зависимость прочности ОК от величины неплоскостности соединяемых поверхностей, кроме того, прочность соединения оптических деталей пропорционально увеличивается со временем вследствие уменьшения напряжений, которые возникают из-за отклонений от плоскостности сопрягаемых поверхностей.

При взаимодействии вогнутых поверхностей контактная площадь контактирующих фасок мала, следовательно, действие сил упругости, аналогичное контакту выгнутых поверхностей, будет незначительным. Поэтому разрушающее напряжение при взаимодействии вогнутых поверхностей должно иметь большую величину, чем при контакте выпуклых. Это утверждение было подтверждено экспериментально.

Также была установлена практически линейная зависимость прочности ОК от величины неплоскостности соединяемых поверхностей, кроме того, прочность соединения оптических деталей пропорционально увеличивается со временем вследствие уменьшения напряжений, которые возникают из-за отклонений от плоскостности сопрягаемых поверхностей.

Помимо этого, указываются максимально допустимые значения величины неплоскостности оптических элементов для различных диаметров сопрягаемых деталей. Величины возможных отклонений от плоскостности значительно превышают принятые в оптическом приборостроении. [25].

Способы измерения формы оптических деталей.

Визуальный контроль плоскостности оптических деталей Контроль формы полированных поверхностей на основе визуального анализа интерферометрических картин применялся в оптическом производстве еще на начальных этапах развития и по-прежнему имеет широкое распространение. Модернизации процесса контроля формы полированных поверхностей развиваются в незначительной степени. Так, например, внедряются системы наблюдения на основе цифровых видеокамер. Они облегчают работу оператора, позволяют оперативно создавать базу данных контролируемых изделий. Тем не менее, алгоритм получения числовых характеристик зачастую остается за рамками автоматизации. В соответствии со стандартизованной методикой, общую неплоскостность исследуемой поверхности визуально определяют по изгибу интерференционной полосы в долях полосы N (рис. 3.4а). Местные ошибки ДN поверхности, которые являются нарушением равномерности ее профиля, определяют по изгибу интерференционных полос (рис. 3.4б).

Рис. 3.4. Определение общей (а) и местной (б) ошибок при визуальном контроле плоскостности полированных элементов

При контроле комплектующих датчиков лазерных гироскопов к оптическим деталям предъявляются высокие требования, ограничивающие значения N и ДN величинами в диапазоне 0,3… 0,5. Масштаб измеряемых величин приводит к трудностям применения методики. В ряде случаев возможности однозначного разграничения общей и местной ошибок оказываются ограничены. Невозможно определение тех же количественных оценок отдельных, выделенных областей исследуемой детали, хотя практическое значение имеет характеристика именно конкретных зон, предназначенных для соединений посредством оптического контакта.

Поэтому в общей системе контроля оптических деталей для датчиков лазерных гироскопов метод анализа поверхностей по простой интерпретации интерферограмм может рассматриваться в качестве лишь одного из составляющих в системе мер, обеспечивающих качество оптического производства при выпуске приборов. [24].

Методика исследований профиля полированных поверхностей посредством компьютерного анализа цифровых изображений В настоящей работе [24] исследования оптических элементов производились на интерференционном профилометре производства ОАО «НИИ «Полюс». Принцип построения профилометра соответствует аналогам широкого класса приборов на базе фазосдвигающей интерферометрии. Его основой является интерферометр Физо с фазовой разверткой, которая производится при микроперемещениях опорной пластины, установленной на пьезоэлектрическом двигателе. Компьютерная программа выполняет анализ цифровых изображений интерферограмм, непрерывно регистрируемых CCD видеокамерой, и производит построение на экране компьютера профиля поверхности исследуемого образца.

При линейном смещении базовой плоскости со скоростью V в каждой точке образца (x, y) регистрируемая интенсивность I (x, y, t) является синусоидальной от времени t функцией с определенной амплитудой A (x, y) > 0 и фазой, пропорциональной величине локальной высоты профиля исследуемого образца h (x, y). То есть I (x, y, t)=C (x, y)+A (x, y) cos (2р (Vt+h (x, y))/л), (1).

где C (x, y) — набор констант, л — длина волны лазерного интерферометра.

В реальных условиях наблюдаемые функции имеют заметные отклонения от синусоидального характера, что связано с наличием шумов различного характера. Выделить основную гармоническую форму сигнала в каждой точке из записанных данных позволяет применение известных математических методов. Эффективным оказывается метод, основанный на преобразовании Фурье, а также метод среднеквадратичной аппроксимации данных синусоидальными кривыми.

На рис. 3.5 представлена типичная картина одной из поверхностей (для установки диска с интерференционным зеркалом) корпуса датчика лазерного гироскопа из стеклокерамики в 3D формате.

Рис. 3.5. Интерфейс программы с 3D изображением профиля поверхности грани корпуса датчика лазерного гироскопа.

Полная числовая характеристика исследуемой поверхности дает возможность вывода целого ряда критериев, формализующих вопросы контроля оптических деталей: амплитудного значения PV (пик-впадина), среднеквадратичного отклонения, радиуса кривизны поверхности и других. Интерфейс компьютерной программы предоставляет возможность выделения отдельных областей образца с целью выявления локальных параметров плоскости, что необходимо при контроле элементов, предназначенных для соединения посредством оптического контакта. [24].

Метод фазосдвигающей интерферометрии при исследовании профиля прецизионных поверхностей оптических деталей Рассмотрим работу установки при оценке качества состояния поверхности детали.

Рис. 3.6. Принципиальная схема контроля параметра неплоскостности посредством лазерного интерферометра Физо. P1-опорная пластина, P2-исследуемый образец.

Рассмотрим отдельно взятые точки, А и B в общей интерференционной картине, фиксируемой цифровой видеокамерой. Преобразованный в параллельный пучок света луч He-Ne лазера, проходит через опорную пластину Р1, разделяясь на два синусоидально модулированных луча одинаковых по фазе луча. Луч Еa1 отразившись от возвратного зеркала, возвращается обратно, в то время как луч Еa2 доходит до поверхности образца и, отразившись от исследуемой поверхности, проходя некий оптический путь LA, суммируется с лучом Еa1 в точке А.

Разность фаз, возникающая в точке, А вследствие разности хода отраженных волн Ea1 и Ea2, равна.

(При расчете помимо геометрической разности хода интерферирующих волн, необходимо учитывать скачок фазы на, испытываемый волной при отражении от поверхности с большим показателем преломления, чем у окружающего воздуха).

Аналогично в точке В для отраженных волн Eb1 и Eb2:

Процедура измерений посредством фазосдвигающей интерферометрии предполагает перемещение базовой плоскости P1 с постоянной скоростью. В данном устройстве возможность управляемых микроперемещений опорной пластины (для выполнения фазовой развертки) осуществляются путем установки опорной пластины на пьезоэлектрическом двигателе.

При этом в точках, А и B регистрируются сигналы, представляющие собой синусоидальные функции с относительным сдвигом фаз.

Для достаточно близко расположенных (соседних) точек, А и B из запаздывания фазы регистрируемых сигналов однозначно можно определить разность оптических путей. Профиль поверхности исследуемой детали может быть восстановлен при последовательном сравнении фазовых характеристик (при переходе от точки к точке) всей интерференционной картины.

Эта операция выполняется с помощью специальной компьютерной программы, и результат анализа отражается презентацией профиля поверхности исследуемой детали в различных форматах, выбираемых пользователем. В результате на экране формируется интерференционная картина путем перехода от точки к точке и регистрация проецируемого изображения с обратной стороны посредством цифровой видеокамеры, сопряженной с компьютером.