Разработка методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования

В настоящее время во многих странах мира идёт интенсивное создание и строительство астрономических телескопов наземного и космического базирования, которые предназначены для принципиально новых астрофизических исследований. Главными оптическими компонентами таких телескопов являются крупногабаритные вогнутые зеркала со сферическими и асферическими рабочими поверхностями.

Изготовление таких зеркал связано с серьёзными технологическими трудностями, так как при размерах рабочей поверхности несколько десятков квадратных метров допустима погрешность формы зеркала, не превышающая нескольких сотых длины волны света.

Решение этой задачи достигается в процессе оперативного контроля изготавливаемой поверхности, на всех стадиях обработки, причём финишный контроль осуществляется на стадиях полирования высокоточными интерференционными методами.

При наличии местных ошибок полированную поверхность приходится целиком перешлифовывать, а затем снова подвергать полированию и интерференционному контролю. Понятно, что такой итерационный технологический процесс требует большого времени обработки, существенных трудозатрат и является неэкономичным.

В последнее время были предприняты попытки использования лазерных интерференционных методов контроля формы поверхности изготавливаемых зеркал на стадиях шлифования.

Следует отметить, что в этом случае не удаётся использовать существующие интерферометры, работающие в видимой области спектра, из — за сильного рассеяния излучения на шероховатых поверхностях, вызывающего разрушение пространственной когерентности излучения и, как следствие, низкое качество интерференционной картины. В результате появились сообщения о создании лазерных РЖ — интерферометров, у которых длина волны рабочего излучения существенно превышает величину микронеровностей шлифованной оптической поверхности. При этом удаётся получить качественную интерференционную картину.

Работы в указанном направлении ведутся и в нашей стране, и за рубежом. Среди отечественных организаций следует отметить ОАО «ЛЗОС», ФГУП «НПО Оптика», МГТУ им. Н. Э. Баумана, ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова», а среди зарубежных фирм — «Precision — Optical Engineering», «Zygo», «Fisba Optik».

Ряд вопросов, связанных с контролем формы зеркал ИК — интерферометрами, рассматривался в работах отечественных специалистов — М.А. Аб-дулкадырова, А. В. Подобрянского, В. А. Горшкова и зарубежных — О. Квона, М. Латта, К. Синха, К. Верма.

Вместе с тем в указанных работах отмечалось, что качество зарегистрированных интерференционных картин во многих случаях было недостаточно высоким, в первую очередь, из — за низкого контраста, малого разрешения и сильного влияния спекл — структуры, формирующейся при отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности. Кроме того отсутствие научно обоснованных требований к качеству интерференционной картины, обусловленных принятым алгоритмом обработки и расшифровки интер-ферограмм, затрудняло выработку исходных данных на проектирование лазерных ИК — интерферометров.

Другая важная задача связана с необходимостью оперативного контроля лазерным ИК — интерферометром не только формы, но и качества (степени шероховатости) обрабатываемой шлифованной оптической поверхности. Решение этой задачи позволит автоматизировать процесс своевременного перехода со стадии грубого шлифования на последующие стадии среднего и тонкого шлифований обрабатываемых поверхностей, а также существенно сократить время технологического процесса обработки контролируемых поверхностей крупногабаритных оптических деталей за счёт устранения операции измерения шероховатости контактными профилометрами.

В этой связи тема диссертационной работы, посвящённой разработке методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования, является важной и актуальной.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные научно — технические задачи:

1) Обоснование метода лазерной интерферометрии и модифицированной функциональной схемы ИК — интерферометра Тваймана — Грина для контроля формы и качества оптических поверхностей на стадиях шлифования.

2) Исследование статистических характеристик оптического поля, рассеянного шероховатой поверхностью, в плоскости анализа и определение среднего значения интенсивности в интерференционных кольцах (полосах).

3) Разработка метода измерений степени шероховатости шлифованных поверхностей на основе зависимости контраста интерференционных картин от параметров микронеровностей.

4) Анализ процесса формирования спекл — структуры в интерференционной картине и разработка метода повышения качества изображения интерференционной картины за счёт подавления спекл — структуры.

5) Исследование влияния временной когерентности лазерного источника излучения на контраст изображения и уровень спекл — шума регистрируемой интерференционной картины.

6) Создание макетного образца неравноплечего лазерного ИК — интерферометра Тваймана — Грина для контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал астрономических телескопов на, стадиях шлифования и проведение экспериментальных исследований.

В соответствии с вышеизложенными задачами диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка используемых источников литературы.

Основные результаты диссертационной работы представлены на 5-й Международной конференции «Оптика — 2007» (СПбГУ ИТМО, Санкт — Петербург, 2007 г.), 16-йи 17-й Международных научно — технических конференциях «Современное телевидение» (Москва 2008, 2009), на XX международной юбилейной научно — технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Адлер 2009).

По результатам диссертационной работы опубликованы три статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК («Измерительная техника», «Метрология», «Оптический журнал»), 4 работы в трудах международных научнотехнических конференциях, 3 тезиса докладов на международных конференциях.

Материалы работы изложены также в трёх научно — технических отчётах по НИР.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе решена важная научно — техническая задача, связанная с разработкой методов и аппаратуры лазерного интерференционного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования.

Достигнутые результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Обоснована принципиальная возможность использования метода лазерной интерферометрии в длинноволновом ИК — диапазоне для контроля форм оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования, обеспечивающего измерения СКО форм контролируемых поверхностей от ближайшей сферы сравнения с погрешностью не выше 0,03 Я.

2. Разработана модифицированная функциональная схема неравноплечего лазерного интерферометра Тваймана — Грина, содержащая дополнительный реперный лазер и спектральный светоделитель, реализующая контроль шлифованных поверхностей сферических и асферических зеркал с радиусами кривизн до 20 м при использовании единственного эталонного зеркала.

3. Разработана методика экспериментального измерения основных статистических характеристик: СКО высот микронеровностей, высотных и шаговых параметров, радиусов корреляции с использованием профилометра — профи-лографа. Проведены экспериментальные исследования шероховатых оптических поверхностей, обработанных с помощью абразивных микропорошков с различным средним размером зерна и для каждой из них определены параметры шероховатости.

4. Исследованы статистические характеристики поля лазерного излучения, рассеянного оптической шероховатой поверхностью, применительно к лазерному интерферометру, определена аналитическая зависимость контраста интерференционной картины от СКО высот микронеровностей контролируемой поверхности и на её основе предложен метод измерения степени шероховатости шлифованной оптической поверхности.

5. Проведён анализ процесса формирования спекл — структуры и её влияния на качество изображения регистрируемой интерференционной картины. Установлено, что с уменьшением характерного отношения сгЛ/Я при переходе от стадии грубого к стадии среднего шлифования, контраст спекл — структуры уменьшается, а качество интерференционной картины увеличивается (контраст интерферограммы повышается от 0,2 до 0,8).

6. Разработан метод повышения качества изображения интерферограмм, основанный на подавлении спекл — шума в изображении и реализующий 4-х этапный алгоритм цифровой обработки изображений: формирование спектра изображения, его пространственно — частотная фильтрация, восстановление отфильтрованного изображения, усреднение по ансамблю сечений, проходящих через энергетический центр тяжести отфильтрованного изображения. Применение предложенного метода для обработки интерферограмм, полученных при контроле оптических поверхностей на стадии грубого шлифования, позволило повысить контраст интерференционной картины с 0,3 до 0,5.

7. На основе модели амплитудно — фазового экрана исследовано влияние временной когерентности излучения лазерного источника на контраст интерференционной картины при контроле зеркал с радиусом кривизны более 20 м. Сформулированы требования к спектральной ширине лазерного излучения (1−106Гц <�Д|/<3−106Гц), при выполнении которых даже при значительном уровне спекл — шума контраст интерференционной картины превышает предельно допустимую величину К=0,3. Рекомендовано использовать в качестве источника излучения непрерывный волноводный С02 — лазер с спектральной шириной линии излучения A v = 2 • 106 Гц.

8. Впервые в отечественной практике создан и испытан в цеховых условиях лазерный ИК — интерферометр, предназначенный для одновременного контроля формы и качества оптических поверхностей крупногабаритных зеркал на стадиях шлифования. Результаты испытаний подтвердили правильность основных теоретических положений и расчётных соотношений, полученных в работе, а так же достижение требуемой точности измерений.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы использованы в НИР «Икар» и внедрены на ОАО ЛЗОС при разработке неравноплечего лазерного ИК интерферометра для контроля крупногабаритных оптических деталей на стадиях шлифования, что подтверждается соответствующим актом.

Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций «Оптические материалы и технологии» на кафедре «Лазерные и оптико-электронные приборы и системы» в МГТУ им. Н. Э. Баумана.