ГОСТ Р 8.745-2011/ISO/TR 14999-2:2005 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 2. Измерения и методика оценки результатов

     3.2 Принципы конструирования и влияния на качество измерений

3.2.1 Общие сведения

При измерении с помощью интерферометра деформации волнового фронта, обусловленной объектом, он становится частью оптической системы прибора. Помимо соблюдения условия автоколлимации следует также обеспечить формирование изображения измеряемой поверхности на чувствительной площадке приемника излучения. К источнику излучения предъявляются жесткие требования по пространственной и временной когерентности излучения, что достигается применением лазера, по сравнению с другими источниками излучения не только обладающего очень высокой интенсивностью, но и являющегося эталонным излучателем.

Одним из важнейших следствий высокой когерентности лазерного излучения является то обстоятельство, что дефекты поверхности всех видов (загрязнения подложек, оптические клеи и покрытия, крошечные царапины, пузыри, отверстия, частицы пыли, микрошероховатость поверхности), попадающиеся на пути излучения, "накапливаются" и накладываются друг на друга в виде амплитудных и фазовых искажений волнового фронта, отчетливо видных на интерферограмме. Чем дальше дефекты расположены от плоскости изображений (светочувствительной площадки приемника), тем сильнее сказываются вносимые ими фазовые искажения из-за дифракции Френеля и изменения пространственной частоты. Очень узкий дефект, расположенный на поверхности вблизи изображения источника света, может сильно растянуться в плоскости приемника. Характеристики оптических элементов и систем, используемых в интерферометре, должны быть значительно более жесткими и строго нормированными, чем в обычных оптических приборах, и должны зависеть от местоположения элемента или системы в оптической схеме. К поверхностям, расположенным в непосредственной близости к изображению источника, где диаметр пучка лучей мал, предъявляются особенно высокие требования к качеству.

Таким образом, чем большей точности измерений необходимо достичь, тем жестче должны быть требования, предъявляемые ко всем компонентам измерительной установки.

В ИСО/ТО 14999-1 отмечалась важность получения изображения измеряемого волнового фронта в плоскости приемника излучения. Если же местоположение волнового фронта внутри прибора меняется при перестройке измерительной установки, то должна быть возможность перефокусировки приемника. В некоторых приборах обеспечена возможность изменения увеличения изображения измеряемого волнового фронта при его переносе на чувствительную площадку приемника.

В ряде приборов изменение увеличения выполняется ступенчато, а в других -  плавно в пределах определенного диапазона. С другой стороны, необходимо обеспечивать хорошую оптическую корректировку волнового фронта в процессе изменения его формы с учетом сохранения требуемой оптической передаточной функции (амплитудно-фазовой характеристики) при формировании измеряемого волнового фронта в плоскости приемника излучения.

Все перечисленные требования и возможности приводят к неизбежному усложнению оптической схемы установки и увеличению числа оптических поверхностей. Задача проектировщика оптического прибора состоит в том, чтобы найти компромисс между степенью коррекции аберраций (обеспечения малых погрешностей волнового фронта в области низких пространственных частот) и уровнем шума (т.е. с теми же погрешностями, но в области высоких пространственных частот). Шум увеличивается при введении в оптический тракт очередной дополнительной поверхности, необходимой для коррекции аберраций. Поскольку сложность оптической установки возрастает по мере универсализации выполняемых ею функций, целесообразнее и легче создавать высококачественные однофункциональные приборы.

Удорожание продукции и искажения изображений на интерферограммах вынуждают производителей минимизировать количество оптических элементов и стремиться к достижению лучшей коррекции аберраций волнового фронта. Это позволяет модифицировать и агрегатировать оптические приборы. Если, например, образцовая сфера, предназначенная для испытания сферических поверхностей, не юстируется должным образом, будучи вмонтированной в оптический прибор, то измеряемый волновой фронт может содержать кому и астигматизм. К погрешностям измерений волнового фронта приводят и расфокусировка системы при калибровке и при выполнении измерений. С другой стороны, оптический прибор с высокой степенью коррекции аберраций может оказаться за счет увеличения числа поверхностей и возрастания уровня когерентного шума менее "устойчивым" при возникновении погрешностей высоких порядков.

Следовательно, при проектировании лазерного интерферометра должен быть достигнут компромисс между качеством волнового фронта с одной стороны и возможностями корректировки волнового фронта, компоновкой прибора - числом и местоположением оптических поверхностей - с другой.

3.2.2 Инструментальные погрешности интерферометра и принцип совмещенного оптического пути

Трудность выполнения прецизионных измерений может привести к ошибочному выводу о невозможности получения надежного результата измерений. Инструментальная погрешность прибора не должна превышать ожидаемой погрешности измеряемой характеристики или свойства объекта. В качестве примеpa положим, что измерению подлежит хорошо отполированная сферическая поверхность линзы. В состав интерферометра входят 12 поверхностей линз и 10 поверхностей плоских пластин. Следовательно, необходимо изготовить 22 поверхности, каждая из которых в 22 раза качественнее поверхности измеряемого объекта, чтобы инструментальная погрешность интерферометра в целом была практически идентичной ожидаемой погрешности результата измерений. С учетом статистического характера погрешностей соотношение инструментальной погрешности и погрешности результата измерений можно считать допустимым (4-5):1. Но даже при таком допущении невозможно изготовить столь качественный оптический прибор. Это заключение верно и вместе с тем неверно. В соответствии с основным принципом интерференции эти погрешности присущи обеим волнам (предметной и опорной) и, следовательно, компенсируют друг друга. Наиболее ярко этот принцип взаимокомпенсации погрешностей демонстрирует интерферометр Физо, где все поверхности, кроме последней, находящейся перед измеряемой поверхностью, и воздушного промежутка между ними, являются общими для обеих волн. Измеряемой интерферометром Физо величиной служит разность оптических длин путей между двумя противоположными поверхностями ("распределение оптической толщины" воздушного зазора, включая распределение показателя преломления воздуха). Казалось бы, заключение неверно, однако оно верно для сверхмалых погрешностей. Обе волны не могут точно пройти по одному и тому же пути, поэтому принцип общего (совмещенного) пути с взаимной компенсацией общих погрешностей всегда нарушаем, если принимается во внимание шум в области высоких пространственных частот. Поэтому, хотя интерферометры Физо более помехоустойчивы в области низких пространственных частот, они не защищены от влияния когерентного шума.

Для контроля восприимчивости интерферометра к погрешностям за счет неточности юстировки, равно как и к влиянию аппаратного (инструментального) высокочастотного шума, полезными оказываются два следующих контрольных измерения.

a) Это простое измерение должно быть повторено при различных ориентациях интерференционных полос и при наибольшем числе полос, при котором возможно измерение данным интерферометром. Таким способом определяется способность прибора противостоять различным разъюстировкам.

Процедура такова:

1) Разместить опорное пробное стекло (оптический калибр) перед выходным окном прибора и произвести юстировку с целью получения 25 полос с наклоном.

2) Выполнить измерение и зарегистрировать результат.

3) Продолжить юстировку до полного отсутствия полос и выполнить другое измерение.

4) Вычесть полученные данные одно из другого и для результирующей разности вычислить члены полинома Цернике; помимо прочих погрешностей, сформированный наклон волнового фронта относительно оптической оси позволяет видеть аберрации волнового фронта, распространяющиеся вдоль под небольшим углом к предметному волновому фронту.

b) Это контрольное измерение выявляет инструментальный высокочастотный шум и, следовательно, возможность обнаружения небольших погрешностей, обычно распространяющихся вдоль с малой амплитудой.

Процедура такова:

1) Взять результаты разности измерений на оси и при наклоне 25 полос.

2) Вычесть первые 36 членов полинома Цернике. Оставшаяся картина поверхности отображает главным образом когерентный шум интерферометра.

3) Когда выбросы на границе измеренного участка поверхности удалены, среднеквадратичное значение служит качественной характеристикой шума прибора. Этот шум должен быть некоррелированным, если эксперимент повторяется при различных ориентациях полос, и сокращается в корень квадратный из числа измерений, но при условии, что результаты экспериментов при разных ориентациях полос усреднены и вычислена разность результатов не двух, а усредненных результатов всех выполненных экспериментов.

Наряду с двумя вышеописанными экспериментами рекомендованы два других простых способа оценки качества юстировки интерферометра.

Проверку степени коллимированности плоской волны, выходящей из оптической системы излучателя, можно осуществить с помощью толстой (30 мм) плоскопараллельной пластины из высококачественного стекла путем ее размещения в пучке под начальным углом 45° и проецирования поперечно сдвинутой интерферограммы на экран. Если пластина не обладает клиновидностью, то на экране не будут видны интерференционные полосы, но они будут наблюдаться, если волновой фронт деформируется интерферометром в сходящуюся или расходящуюся волну.

Эффективность юстировки с помощью визирного перекрестья или другого приспособления аналогичного назначения может быть проверена уголково-кубическим зеркалом или призмой из высококачественного стекла. Отраженный пучок должен точно попадать в центр юстировочного устройства. Таким же способом можно отъюстировать опорную поверхность перпендикулярно пучку. Наклоняя эту поверхность, добиваются того, чтобы полосы, образующиеся в результате интерференции опорной волны, отраженной триппель-зеркалом (три поверхности под углами 90° друг к другу), были предельно широкими.

3.2.3 Оптическая компенсация погрешностей

Полезным свойством двухлучевой интерференции является ее особенность, связанная с устранением погрешностей, порождаемых отдельными частями интерферометра. Если два интерферирующих пучка претерпевают одни и те же возмущения, проходя по своим оптическим путям, то порождаемые при этом погрешности волновых фронтов идентичны и компенсируют друг друга, что отчетливо демонстрирует разность волновых фронтов. Следовательно, два волновых фронта должны распространяться почти по одному и тому же пути, тем самым, обеспечивая "оптическую компенсацию" имеющих место погрешностей. Легче всего этого достичь в интерферометре Физо, где предметная и опорная поверхности расположены друг напротив друга без оптического элемента между ними. Эта компенсация не является полной, если имеются расхождения между оптическими длинами путей, когда один пучок наклонен по отношению к другому.