Лазерная интерферометрия для анализа сложных поверхностей

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерная интерферометрия для анализа сложных поверхностей

Голяева А.Ю., Мануйлович И.С., Сидорюк О.Е., Лобанов П.Ю.

(ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, г.Москва)

Аннотация

Работа посвящена вопросам анализа профиля поверхностей оптических деталей датчиков лазерных гироскопов. Различные измерительные методики рассмотрены с точки зрения определения границ их возможностей для решения поставленных задач. Определены возможные пути повышения надежности изделий посредством совершенствования метрологического обеспечения операций контроля полированных поверхностей.

Ключевые слова: плоскостность, профиль поверхности, интерферометрия, лазерный гироскоп.

Annotation

Laser Interferometry for Analysis of Complex Surfaces. Golyaeva A. Yu.; Manuylovich I. S., PhD; Sidoryuk O. E., PhD; Lobanov P. Yu.

The work is devoted to problems of surface profile analysis of optical parts of laser gyroscope sensors. Different measuring procedures are examined to determine their limitations for solving of assigned tasks. Possible ways of the products reliability increasing are determined by means of metrological assurance improvement in operations of polished surfaces inspection.

Keywords: flatness, surface profile, interferometry, laser gyroscope.

Широкое распространение лазерных гироскопов для решения навигационных задач сопровождается ужесточением требований по обеспечению их надежности. Повышается роль контроля качества отдельных комплектующих, исследовательских работ по развитию методик анализа их характеристик, инновационных проектов обеспечения производства необходимыми средствами измерений.

В производстве датчиков лазерных гироскопов базовая технология сборки резонатора основана на операции соединения оптических элементов посредством оптического контакта [1]. При отсутствии каких-либо клеевых компонентов лишь силы межмолекулярного взаимодействия соприкасаемых деталей обеспечивают прочное вакуумно-плотное соединение. Естественно, такое возможно только при предельном сближении контактирующих элементов в условиях высокой плоскостности их поверхностей. Обеспечение этого требования является ключевой задачей оптического производства. В таких условиях особую актуальность имеет контроль поверхности оптических деталей датчиков лазерных гироскопов.

Настоящая работа посвящена вопросам анализа профиля поверхностей оптических деталей. Различные измерительные методики рассмотрены с точки зрения определения границ их возможностей для решения поставленных задач. Исследования плоскостности отдельных элементов датчиков лазерных гироскопов проведены как при комнатной температуре, так и в условиях их нагрева. Определены возможные пути повышения надежности изделий посредством совершенствования метрологического обеспечения операций контроля поверхностей.

Контроль формы полированных поверхностей на основе визуального анализа интерферометрических картин вошел в практику оптического производства еще на начальных этапах его развития и по-прежнему имеет широкое распространение. Инновационные процессы затронули этот метод лишь в незначительной степени. Модернизации обычно подвергаются регистрационные устройства серийных интерферометров (например, ИТ-100 или ИТ-200). В частности, 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 [2], общую неплоскостность исследуемой поверхности определяют по изгибу интерференционной полосы в долях полосы N (рис.1а). Местные ошибки ДN поверхности, которые являются нарушением равномерности ее профиля, определяют по изгибу интерференционных полос (рис.1б).

Рис.1. 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 оказываются ограничены возможности однозначного разграничения общей и местной ошибок. 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.

Методика исследований профиля полированных поверхностей посредством компьютерного анализа цифровых изображений

В настоящей работе исследования оптических элементов производились на интерференционном профилометре производства ОАО «НИИ «Полюс». Принцип построения профилометра соответствует аналогам широкого класса приборов на базе фазосдвигающей интерферометрии [3]. Его основой является интерферометр Физо с фазовой разверткой, которая производится при микроперемещениях опорной пластины, установленной на пьезоэлектрическом актюаторе. 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.

Естественно, 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.2 представлена типичная картина одной из поверхностей (для установки диска с интерференционным зеркалом) ситаллового корпуса датчика лазерного гироскопа в 3D формате.

Рис. 2. 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.

Контроль тепловых искажений формы поверхности оптических деталей

Методология обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры предусматривает необходимость исследований по комплексному воздействию механических и тепловых дестабилизирующих факторов. В частности, для датчиков лазерных гироскопов актуален вопрос температурной устойчивости соединений посредством оптического контакта, в связи с чем необходим контроль плоскостности оптических комплектующих в широком температурном диапазоне.

Проблема обостряется для деталей с наличием паяных соединений. В настоящей работе производился контроль деталей конструкций датчиков лазерных гироскопов, представляющих собой круглые пластины диаметром 45 мм и толщиной 7,5 мм из ситалла марки СО-115М с впаянными в них титановыми электродами и центральным штенгелем (также с титановой втулкой).

На рис.3а показан профиль контролируемой поверхности, характерный для рассматриваемых изделий при комнатной температуре. Абсолютные значения неплоскостности Д (разности максимальных и минимальных показателей рельефа) находятся в диапазоне от 100 до 300 нм, отличаясь от образца к образцу из-за технологического разброса (в том числе различного растекания припоя). Но во всех случаях нижняя поверхность оказывается выпуклой, что и следует ожидать из разности коэффициентов термического расширения контактирующих материалов, знака механических напряжений, возникающих в оптическом элементе при остывании затвердевшего припоя.

Динамика профиля поверхности регистрировалась (рис.4) в условиях равномерного нагрева образцов с постоянной скоростью около 3^оС/мин (кривая 1) и 1^оС/мин (кривая 2). После достижения температуры 180 ^оС оптические элементы охлаждались с теми же скоростями. Прекращение измерений при температурах ниже 120 ^оС и 90 ^оС (соответственно для первого и второго цикла) объясняется отсутствием в используемой установке возможности последующего принудительного охлаждения с заданным темпом.

Рис.3. Рельеф поверхности детали из ситалла с титановыми электродами при комнатной температуре (а) и температуре 180 ^оС (б).

Полученные данные свидетельствуют о наличии ряда характерных особенностей, наблюдаемых на различных образцах. При нагреве профиль поверхности меняется, нижняя грань из выпуклой превращается в вогнутую (рис. 3б). Для термоциклов характерен гистерезис регистрируемых величин (рис. 4), который воспроизводится при повторных процессах с теми же режимами нагрева и охлаждения. Скорость изменений профиля существенно зависит от температуры и уменьшается при нагреве.

Рис.4. Температурные зависимости амплитуды рельефа поверхности оптического диска с впаянными электродами при нагреве и охлаждении со скоростью 3^оС/мин (кривая 1) и 1^оС/мин (кривая 2)

Результаты многократного повтора термоциклов с анализом данных о профиле поверхности прецизионных оптических деталей на основе метода динамической интерферометрии могут стать основой подхода к предсказанию термической усталости паяных соединений, прогнозирования долговечности конструкций в конкретных условиях эксплуатации [4].

Известно, например, [5], что площадь, ограничиваемая петлей гистерезиса в координатах напряжение-деформация припоя, уменьшается с ростом числа k термоциклов. Изменения, практически незаметные при k = 20, могут достигать величины 35% при k = 100. Это создает основу для математического моделирования процессов старения, разработки методики ускоренных испытаний паяных соединений.

Границы применимости и пути повышения эффективности методик контроля плоскостности поверхностей оптических деталей

В процессе интерферометрических измерений характеристик поверхностей плоскопараллельных пластин могут возникать проблемы, игнорирование которых сопряжено с опасностью получения некорректного результата.

Возможности традиционной лазерной интерферометрии оказываются заметно сужены в случае исследования относительно тонких прозрачных образцов, когда базовая процедура компьютерного анализа цифровых изображений последовательности интерферограмм может давать сбои из-за помех, обусловленных межплоскостной интерференцией отражений от противоположных граней исследуемых пластин.

В качестве примера на рис.5 показаны картины интерференции, наблюдаемые в лазерном интерферометре с длиной волны 633 нм на ситалловом диске толщиной 4 мм в условиях сильного влияния межплоскостной интерференции (при малых значениях клиновидности образца, угол которой оказывается сопоставим с наклоном при измерениях исследуемой детали).

Рис.5. Картины интерференции, наблюдаемые в лазерном профилометре с длиной волны 633 нм при малом клине исследуемого образца

К сожалению, измерительные методики, предусматривающие решение этой проблемы, имеют свои недостатки. В частности, применение иммерсионных жидкостей для смачивания тыльной стороны образцов существенно усложняет и удлиняет процесс их подготовки к измерениям. Подчас серьезным оказывается вопрос подбора иммерсии с точки зрения минимизации физико-химического воздействия на образец.

Подтверждением служит пример, приведенный на рис. 6. Плоскопараллельный образец ситалловой пластинки толщиной 0,5 мм не поддается прямому анализу из-за сильного взаимного влияния интерференции от передней поверхности (горизонтальные полосы) и межплоскостной интерференции (вертикальные полосы). Речь может идти лишь о масштабе возникающих в этом случае проблем: от полной невозможности измерений в случае рис.6а до ограничения интерпретаций чисто качественным их характером в случае Рис.6б, когда по виду полос можно составить представление о поверхности образца, но не гарантировать отсутствие ошибок при нахождении амплитуд профиля в результате компьютерного анализа фазовой развертки. Использование иммерсионной жидкости на задней поверхности (рис.6в) устраняет фактор появления одних ошибок измерений, но приводит к искажениям результатов контроля иной природы. Действительно, тонкий образец оказывается заметно изогнут в результате действия сил поверхностного натяжения, в то время как для исходного состояния (рис.6б) с существенно большими основаниями можно было судить о его плоскостности.

Рис.6. Интерферограммы на ситалловой пластине толщиной 0,5 мм при освещении светом ртутной лампы с длинами волн 546 нм (а, б, в) и 365 нм (г)

Естественно, иммерсия совершенно бесполезна в случае, когда задняя поверхность образца или отдельные ее части имеют металлизацию (например, в случае присутствия паяных электродов - рис. 7). На левом рис.7а представлена интерференционная картина, а на рис.7б - результат построения рельефа поверхности при наличии методической ошибки.

Рис.7. Пример контроля профиля поверхности с помехами, обусловленными влиянием металлизации задней поверхности вокруг отверстия

Использование алгоритма ZYGO FTPSITM фазосдвигающей интерферометрии на основе преобразования Фурье обеспечивает подавление артефактов без применения иммерсии [6]. Эта измерительная технология удобна для пользователей и во многих случаях эффективно работает, однако, имеет свои ограничения, поскольку изначально находится в строгих рамках условий формализма применяемого математического моделирования. Например, остается неучтенным влияние искажений волнового фронта в объеме материала исследуемых пластин. Дополнительные сложности возникают при анализе особо тонких образцов или образцов с наличием локальных покрытий.

Поэтому в настоящей работе предложен другой путь инновационных проектов для решения обсуждаемых задач. Модернизация традиционной модели профилометра на базе интерферометра Физо с фазовой разверткой произведена посредством перевода его на длину волны из области собственного поглощения исследуемого материала.

На рис. 8 представлены спектры пропускания полированных пластин ситалла различной толщины. Для любого образца могут быть подобраны такие параметры тестирующего излучения, при которых исследуемая картина от передней поверхности не искажается межплоскостной интерференцией (в результате объемного поглощения существенно снижается амплитуда световой волны, отраженной от задней поверхности).

В частности, на рис.6г показана интерферограмма, наблюдаемая на тонкой (0,5 мм) ситалловой пластине при освещении светом одной линии ртутной лампы с длиной волны 365 нм. А на рис.9 представлена картина, характерная для диска с впаянными электродами в свете полупроводникового (InGaN) лазера с длиной волны 405 нм. В отличие от результата на рис.7, в данном случае полностью отсутствуют помехи в окрестности отверстий, обусловленные металлизацией задней поверхности под пайку электродов.

Рис.8. Спектры пропускания полированных пластин ситалла различной толщины (указаны в мм)

Рис.9. Интерферограмма в ультрафиолетовом профилометре на базе InGaN лазера (405 нм) для ситаллового диска с частичной (вокруг отверстий) металлизацией тыльной стороны

Перевод измерительного оптического оборудования из традиционной видимой области (с длинами волн 546 нм или 633 нм) в ультрафиолетовый диапазон спектра повышает достоверность и точность контроля рельефа поверхности полированных деталей из ситалла СО-115М.

Контроль плоскостности оптических деталей для сборки датчиков лазерных гироскопов является важным фактором современного производства. Отраженные в работе методики и результаты измерений показывают реальные возможности метрологического обеспечения технологического процесса. Положительные итоги предложенной модернизации методик и измерительного оборудования открывают новые возможности по совершенствованию операций контроля изделий для повышения их качества и надежности.

цифровой гироскоп оптический лазерный

Литература

1. Greco V., Marchesini F., Molesini G. Optical contact and van der waals interactions: the role of the surface topography in determining the bonding strength of thick glass plates // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2001, V. 3, N1, P.85-88.

2. ГОСТ 8.215-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Пластины плоские стеклянные для интерференционных измерений. Методы и средства поверки.

3. Greivenkamp J. E. and Bruning J. H. Phase shifting interferometry, in Optical Shop Testing. 2nd ed., ed. Malacara D., New York: Wiley, 1992, P.420

4. Sakai H., Morimune K., Yonemoto T. Approaches to Technology of Thermal Fatigue Life Prediction of Solder Joints // Fujitsu ten technical journal. 2009. N.33. P.40-47.

5. Tang H., Basaran C. A damage mechanics-based fatigue life prediction model for solder joints // Transactions of the ASME. 2003. V.125. N3. P.120-125.

6. Deck L.L. Fourier-transform phase-shifting interferometry// Applied Optics. 2003. Vol. 42. No. 13. pp.2354-2365.

Размещено на Allbest.ru