Особенности аппаратурной реализации в цифровой интерферометрии высокоапертурных поверхностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

«=г с?

со

I.

На правах рукописи

ПОЛОВЦЕВ Игорь Георгиевич

ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ В ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте оптического мониторинга Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель : чл.- корреспондент РАН ,

профессор Кабанов М.В. • Официальные оппоненты : доктор физ.-мат. наук ,

профессор Донченко В.А., ' к.т.н. Тартаковский В.А.

Ведущая организация : Сибирская государственная

геодезическая академия

Защита состоится "15"мая 1998 г. в 14час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 200.38.01 в Институте оптики атмосферы СО РАН( 634055 . Томск , пр. Академический , 1 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН.

Автореферат разослан " " О ¿f 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат.наук

В.В.Веретенников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы; Практика современной интерферометрии в настоящее время в том или ином виде сталкивается со следующим противоречием : с одной стороны , современные аппаратно - программные средства позволяют выполнить обработку интерферограмм с погрешностью PVWX, /200 -к /50.0 , с другой стороны , реально достигаемая аппаратная погрешность современных интерферометров оказывается . PV> лУ50 , где PV- амплитуда ошибки.

Поэтому, актуальной задачей является исследование возможностей совершенствования цифровых интерференционных приборов в плане уменьшения аппаратной

погрешности собственно интерферометра до уровня устройства обработки. Приме-

i

няемые в настоящее время средства не всегда обоснованно используются и потому не являются эффективными. Особенно ярко это проявляется в высокоапертурных лазерных интерферометрах с совмещенными ветвями (Л ИСВ), где угол а луча с осью большой настолько, что a* tgtx*sina.

Целью работы является определение путей совершенствования интерференционных приборов для оптического производственного контроля формы высокоапертурных поверхностей. В соответствии с этим ставились следующие задачи: - исследование роли остаточной аберрации в лазерном интерферометре с совмещенными ветвями . Разработка алгоритма учета остаточной аберрации при обработке интерферограмм;

>

- анализ роли положения плоскости наблюдения интерференционной картины . Обоснование и построение алгоритма перехода от отклонений волнового фронта к отклонениям профиля поверхности;

- экспериментальные исследования конструктивных особенностей интерферометра. Разработка рекомендаций по оптимизации конструкции;

-анализ роли измерительной базы и методе переналожений; - исследование погрешностей измерения радиуса кривизны с помощью интерферометра .Разработка алгоритма высокоточных измерений.

Научная новизна проведенного исследования определяется следующими результатами,полученными впервые:

1. Уточнение модели влияния остаточной аберрации интерферометра с совмещенными ветвями на погрешность интерференционных позволило предложить методику назначения допусков на остаточную аберрацию .

2. Показана целесообразность размещения плоскости наблюдения интерференционной картины в плоскости зрачка эталонной поверхности.

3. Показана необходимость перехода от отклонений формы анализируемого волнового фронта к отклонениям формы поверхности исследуемой детали в высокоточных интерференционных измерениях формы высокоапертурных поверхностей.

4. Показан вклад субъективных факторов в погрешность цифрового интерферометра. На основе анализа экспериментальных и расчетных данных получены соотношения и зависимости , дозволяющие увязать значения субъективных факторов и конструктивных особенностей прибора.

5. На основе формального анализа метода переналожений установлены фильтрующие свойства измерительной базы в методе переналожений.Предложена методика оптимального ее выбора.

s

6. Получены расчетные соотношения , позволяющие назначить допуски на аберрации освещающей ветви ЛИСВ для обеспечения высокоточного измерения радиуса кривизны оптической поверхности методом автоколлимации.

Достоверность результатов обеспечивается следующими факторами:

- результаты теоретического анализа подтверждаются данными экспериментов,

- полученные результаты были использованы в устройствах , разработанных и изготовленных в КТИ " ОПТИКА" и прошедших экспериментальную и метрологическую экспертизу rio месту внедрения.

Практическая значимость работы . Полученные результаты позволяют :

i

- использовать достаточно простые соотношения для назначения допуска на остаточные аберрации , определения диапазона изменения субъективных факторов при оптимизации ннтерферометрических систем по схеме ЛИСВ,

- выполнить разработку цифрового ЛИСВ для контроля формы и радиуса поверхностей с погрешностью PV- X. / 200 + 500 , AR/R -10-5,

•оценить влияние измерительной базы в методе переналожений на погрешность измерений профиля поверхности. Повысить точность этих измерении путем учета фильтрующих свойств измерительной базы.

Устройства , в которых использованы результаты данной работы , успешно внедрены на предприятиях страны , о чем свидетельствуют акты внедрения.

Апробация результатов . Положения и результаты данной работы опубликованы в журналах и тематических сборниках. Общее число -17 статей. Заявка на патепт прошла экспертизу. Две работы выполнены диссертантом без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения , пяти глав , заключения ..приложения н списка использованной литературы. Объем диссертации - 134 стр. машинописного текста . Ома иллюстрирована рисунками , представленными на 50стр., список литературы содержит 105наименопаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы результаты и защищаемые положения, описана структура диссертации.

В первой главе исследована роль остаточной аберрации ЛИСВ в ошибке интерференционных измерений путем численного моделирования трансформации ОА на длине рабочего плеча. Установлена зависимость погрешности ЛИСВ от его геометрии.

Данные вычислений обобщены в виде Таб. 1 , на основании которой может быть назначен допуск при разработке ЛИСВ с учетом его функциональных параметров.

Описывается эксперимент по проверке результатов вычислений в ЛИСВ с гибким адаптивным зеркалом на основе биморфного пьезоэлемента в качестве имитатора ОА. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов дает основание утверждать , что предложенная модель является адекватной. Результаты численного моделирования близки к данным других авторов (приведены в Таб.1 в знаменателе) , что также позволяет сделать вывод об их достоверности.

Таблица I.

Остаточная аберрация \Уоа(в мкм), приводящая к погрешности

о„ Относительные отверстия Шйл

мм

1:0,66 1;!,5 1:3 1:10 1:50 1:70

1/500 0,51/0,75 0,4/0,6 0,3/0,44 0,16/0,24 0,07/0,1 0.06/0.09

1/200 0,808 0,637 0,467 0.257 0,113 0,095

30 1/100 1,141 0,898 0,658 0,362 0,158 0,132

1/50 1,610 1,267 0,927 0,508 0,220 0,183

1/20 2,53/3,77 2.0/3,0 1,45/2,2 0.79/1,2 0,34/0,54 0,28/0,49

1/500 0,94/1,38 0,74/1,1 0,54/0,8 0,3/0,44 0.13/0,2 0,2/0,3

1/200 1,478 1,166 0,856 0,473 ! 0,209 0,308

100 1/100 2,088 1,647 1,209 0,667 0,294 0,434

1/50 2,950 2,325 1,705 0,939 0,412 0,610

1/20 4,65/6,9 3,66/5,4 2,68/4,0 1,47/2,2 0,64/1,0 0,95/1,45

1/500 1,45/1,7 0,9/1,3 0,66/1,0 0,37/0,54 0,31/0,46 0.35/0,52

1/200 1,811 1,429 1,049 !0,580 0,485 0.559

150 1/100 2,559 2,018 1,482 0,818 0,684 0,789

1/50 3,616 2,850 2,092 1,153 0,963 1,112

1/20 5,7/8,43 4,5/6,66 1,81/2,7 1,81/2,7 1,51/2,3 1,74/2,6

Во второй главе исследованы вопросы влияния положения плоскости наблюдения интерференционной картины на ее искажения, обсуждается вопрос оптимального

выбора положения этой плоскости в схеме ЛНСВ . Обосновывается необходимость непосредственного анализа отклонении контролируемой поверхности , а не регистрируемого в интерферометре волнового фронта . Для этого предложен компенсационный алгоритм обработки интерференционных картин. При его использовании повышается достоверность информации и автоматически учитывается влияние положения плоскости наблюдения и кривизны интерферирующих фронтов на конечный результат.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального и численного исследования субъективных факторов, связанных с конструктивными особенностями и настройкой ЛИСВ и искажающих результаты интерференционных измерений. Показано, что :

- нелинейные фотометрические искажения интерферограммы увеличивают относительную погрешность до Д РУ/РУ 50% . Для их устранения в конструкции интерферометра должны быть предусмотрены средства контроля фотометрического профиля и подстройки уровня освещенности интерференционного поля ,

- фотометрические неоднородности (связанные , например , с гауссовым характером лазерного пучка ) увеличивают относительную погрешность до Д РУ/РУ и 40% . Допустимая неоднородность не должна превосходить- »50 % ,

- при смещениях эталонной поверхности относительно номинального положения возникает ОА , искажающая интерференционную картину . Для уменьшения этих ис-

. кажений диапазон регулировки наклонов и положения эталонной поверхности должен быть существенно ограничен. Эти ограничения определяются требуемой погрешностью измерений ,О, иО,/И,.

- ориентация полос интерференционной картины относительно направления ее сканирования может приводить к значительным ( до APV/PV= 400 %) увеличениям погрешности обработки иптерферограмм . Неперпендикулярность полос направлению сканирования не должна превышать ± 8 0 .Для этого конструкция интерферометра должна предусматривать возможность взаимного поворота изображения интерференционного поля и фотокатода устройства наблюдения . Эга же опция позволит минимизировать влияние несимметричныхэкранов ( например , растяжек контротражателя ) на результат измерений.

Четпертая глава посвящена анализу фильтрующих свойств измерительной базы в методе переналожепнн, предложена модель этого фильтра. Показано , что передаточная функция измерительной базы , как фильтра пространственных частот , мри контроле профиля поверхности описывается соотношением :

<p(¡;) = 1 /2(exp(2Tti§A. - cosa) + ехр(-2ти4(2Т- A.)cosa) - 1) -cosa , где а - угол наклона измерительной базы к оси абсцисс контролируемой поверхности ,

2 Т - размер измерительной базы ,

X - абсцисса точки на измеряемой поверхности в системе координат , связанной с базой.

Для плоской поверхности при X = Т, передаточная функция - "гребенчатая ". Наи-

I

более адекватно ( коэффициент передачи 1) измерительной системой передаются ошибки . пространственные частоты которых составляют: ^ = n/2Т,

где п - целое нечетное число, и полностью фильтруются ( коэффициент передачи 0 ) частоты:

где к - целое число.

Построенная модель фильтра может быть использована для восстановления контролируемой поверхности целиком , а также для оптимального выбора измерительной базы. Приводится описание методики выбора измерительной базы системы для измерения непрямолинейности рельсов по методу переналожений.

В пятой главе обсуждаются вопросы, связанные с измерением радиусов кривизны выскоапертурных оптических поверхностей с применением цифровой интерферометрии. Предложена методика высокоточных измерений ( Д R./R < 10°" ) при существенной величине остаточных аберрации . Суть методики заключается в физическом итерационном уточнении положения контролируемой детали по результатам цифровой обработки интерферограмм . В качестве критерия правильной установки детали предлагается использовать минимум среднеквадратичного отклонения волнового фронта (RMS)..

Погрешность измерения радиуса, при этом,составляет :

AR = 16(Rk дУОк д.)2-л/24Wrms-AWrms , где Wrms - среднеквадратичное отклонение OA интерферометра, AWrms - погрешность устройства обработки по RMS.

В заключении сформулированы полученные результаты, указан личный вклад . автора.

В приложении I описана конструкция интерферометра ФАВН и его модификаций, разработанных и выпущенных малой серией в КТИ "ОПТИКА" , при разра-

и

ботке конструкции которых использовамы результаты данной диссертации. Прппе-

*

ден расчет ОА с учетом материалов глав 1,2,5.

В приложении 2 приведен графический материал. В приложении 3 приведены акты внедрения результатов работы.

Положения, выносимые на защиту.

1. Величина ОА в ЛИСВ может быть значительной по сравнению с погрешностью измерений. Допуск на нее в высокоапертурном ЛИСВ определяется световым диаметром эталона О,, его апертурой О, / II, и требуемой точностью измерений. Минимально возможный радиус кривизны определяется из соотношения

I*. к.д = 0.2 II,, где Ги - радиус кривизны эталонной поверхности.

2. Высокоточный алгоритм обработки ннтерферометрической информации в цифровом ЛИСВ с конечной величиной ОА и широким диапазоном радиусов кривизны контролируемых деталей , помимо известных и используемых на практике процедур , должен учитывать трансформацию ОА в пределах диапазона радиусов . При этом результатом работы алгоритма должна являться не карта отклонений волнового фронта , а карта отклонений поверхности детали . Положение плоскости наблюдения целесообразно выбирать в зрачке эталонной поверхности.

3. Оптимизация конструкции интерферометра позволяет уменьшить вклад субъективных факторов и случайную погрешность интерферометра в 3-4 раза.

4. При контроле формы высокоапертурной поверхности по методу перепаложс-шш измерительная база прибора может рассматриваться фильтром пространственных частот. К омплексная амплитуда этого фильтра описывается функцией, параметры которой определяются размером измерительной базы и конфигурацией измерительного устройства.

5. В высокоапертурном цифровом ЛИСВ может быть достигнута высокая точность ( Д R/R ~ 10-5) измерения радиуса кривизны контролируемой детали при реализации методики физического итерационного уточнения положения детали по результатам обработки интерферограммы волнового фронта , сформированного измеряемой деталью.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. II Международная конференция " Датчик- 95 ". г. Барнаул. 19-20 де-кабря.С.49.

2. Половцев И.Г., Симонова Г.В. Устройство для контроля шаровых опор с малым радиусом кривизны // Применение лазеров в науке и технике. - Тольятти,

1989.-С. 56.

.3. Половцев И.Г.,Пушной Л.А. Интерферометрический комплекс для контроля крутых сферических поверхностей // Применение лазеров в науке и технике. - Иркутск, 1990.-С. 14.

4. Половцев И.Г., Симонова Г. В. О влиянии остаточных аберраций прибора на качество контроля оптических деталей. - Томск: Оптика атмосферы. 1989. Т.2. № 5. - С. 527.

■ ^ 5. Половцев И.Г., Симонова Г.В. О влиянии остаточной аберрации интерфе-; рометра на качество интерференционных измерений. - Томск: Оптика атмосферы.

1990. Т.З. № 6. - С. 662..

■ 6. Кудряшов A.B., Половцев И.Г., Самаркин В.В. Исследование панкрати-

■ ческой системы с корректором на основе биморфного пьезоэлемента. - Томск: Оптика атмосферы. 1988. Т. 1 № 2. - С. 108.

7. Половцев И.Г. О погрешностях контроля оптических деталей по методу Ронки. - Томск: Оптика атмосферы. 1989. Т.2 . № 4. - С. 376.

8. Половцев И.Г. Анализ устойчивости алгоритма восстановления профиля поверхности оптических деталей по продольным аберрациям. - Томск: Оптика атмосферы. 1989 . Т. 2. № 3. - С. 313.

9. Практикум по автоматизации проектирования оптических систем. Под ред. Малшшна В.В. - М.: Машиностроение, 1989. - 212 с.: ил.

. 10. Половцев И.Г., Шараев А.И. Лазерный интерферометр для контроля крупногабаритных оптических детален. // Применение лазеров в науке и технике. - Иркутск, ОЛТФ ИНЦ СО РАН. 1994. - С. 49.

11. Кириллов Н.С., Половцев И.Г. Применение компенсационного способа к решению задачи восстановления профиля поверхности по продольным аберрациям. И Межреспубликанский симпозиум " Оптика атмосферы и океана" Тезисы докладов. Часть 2. - Томск. Институт оптики атмосферы СО РАН. 1995. - С. 365.

12. Кириллов Н.С., Половцев И.Г. Применение компенсационного способа к решению задач оптического приборостроения. I Межреспубликанский симпозиум " Оптика атмосферы и океана". Часть 2. Томский научный центр СО РАН. 1994. -

С. 229.

13. Кириллов Н.С., Половцев И.Г. Оптимизация системы Шмидта компенсационным способом. - Томск: Оптика атмосферы и океана, 8-, № 5. 1995. - С. 751.

14. Заявка на патент 96107928/ 28(013153) от 19 апреля 1996г.

15. Половцев И.Г., Шараев А.И. Опыт эксплуатации системы " Оптикон-КПР" в РБЦ КМК. Доклад па Межведомственной рельсовой комиссии 1996 г. г.Нижний Тагил.

16. Максимов В.Г., Половцев И.Г. Влияние остаточных аберраций на погрешность интерферометра с совмещенными ветвями. - Томск: Оптика атмосферы и океайа. 9,№8 , 1996 .-С 1131.

17.Максимов В.Г., Половцев И.Г. Влияние положения плоскости наблюдения на погрешность интерферометра с совмещенными ветвями. //Оптика атмосферы и океана;-1998 .-Т11 .N4.