Применение метода фазосдвигающей интерферометрии для исследования свильности материалов

Современные стандартизованные методики регистрации свилей и контроль бессвильности оптических материалов.

В настоящее время, несмотря на долгую историю исследований в этой области, не существует, к сожалению, единой системы классификации свилей и общепринятой методики их контроля. Известны несколько довольно распространенных подходов анализа однородности материалов, отраженных в существующих национальных и международных стандартах. Сами принципы их построения не подвергаются критике. Разногласия возникают в вопросах детерминации экспериментальных условий, при определении оптимальных параметров измерительных установок, на путях перехода от качественных оценок к количественных характеристикам, при проверке методик калибровки полученных результатов.

Для контроля бессвильности оптических материалов широко применяется метод, основанный на регистрации и анализе теневых картин [5−8]. При этом используются тенеграфические установки различных конструкций, наиболее типичная из которых схематично представлена на Рис. 3.7.

Исследуемый образец (6) освещается пучком света, формируемым с помощью конденсора (2) и диафрагмы (3). В качестве точечного источника излучения (1) служит газоразрядная лампа с близко расположенными электродами. Экран (5) служит для отображения теневой картины образца и последующей ее регистрации с помощью цифровой видеокамеры (8). Оптимальная для восприятия интенсивность падающего на экран излучения выбирается с помощью светофильтра (4). Компьютер с монитором (9) используется для анализа, презентации и хранения данных цифровых изображения. Держатель образца (7) снабжен механическими устройствами его перемещения в трех взаимноперпендикулярных направлениях, а также наклона и поворота образца для получения различных его проекций при тенеграфических исследованиях.

Как видно из описанной схемы, теневая картина образца с объемными неоднородностями получается в условиях расходящегося светового пучка. Это является недостатком проекционной установки, поскольку ограничивает степень максимально достижимой контрастности при исследованиях протяженных деталей. Использование расходящегося пучка не всегда корректно для количественных исследований, так как одинаковые неоднородности образца проявляются по-разному в зависимости от того, в каком месте они находятся. Преодоление указанного недостатка возможно посредством увеличения размеров измерительной системы (вплоть до 3 метров вдоль оптической оси [6]), но это не всегда удобно. Поэтому для изучения свилей широкое распространение также получили установки с исследованием оптических материалов в параллельных световых пучках [10−12].

На Рис. 3.8 представлена схема прибора, так называемого свилескопа, с реализацией одного из наиболее простых вариантов такого подхода [10].

В иных вариантах подобных теневых приборов визуальное наблюдение заменено использованием цифровой видеокамеры с объективом и согласующей линзой, а вместо диафрагмы применяется подвижная ширма с острым краем, так называемый нож Фуко [12].

Сопоставление достоинств и недостатков средств измерений, рекомендуемых различными стандартизованными методиками на сегодняшний день представляется непростой задачей [8,13]. Исторически так сложилось, что определенное разделение исследователей в подходах к операции контроля свилей произошло не только по методам, но и установленным критериям оценки экспериментальных результатов в исследованиях качества оптических материалов.

Например, в соответствии с [9] стекла и стеклокристаллические материалы делятся по бессвильности на категории 1−4. Для высших категорий (1 и 2) не допускаются свили, обнаруживаемые при просмотре на установках, градуированных по соответствующим контрольным образцам согласно [5]. К категории 3 (и 3а) отнесены образцы, в которых исключаются потоки свилей, но допускаются одиночные и узловые свили.

Иная классификация материалов должна производиться согласно [10,11]. Как и в [9], стандартизуемые образцы должны быть приведены в соответствие с четырьмя классами: A, B, C и D. К классу A может быть отнесен материал при полном отсутствии свилей, контролируемых по прилагаемой методике. Для образцов более низкой сортности допускается наличие свилей, оговоренных в сравнениях с обязательными при испытаниях контрольными образцами. Данная классификация наравне с оценкой свилей по величине и концентрации учитывает степень жесткости контроля с точки зрения оптимальности направления их визуализации (как, кстати, и в [6]). И это важно, поскольку изображение свили, зарегистрированное при одном положении образца, может полностью исчезнуть на экране при его развороте всего на 5о [6]. В обязательности выбора оптимального для контроля положения есть определенное концептуальное отличие от подхода, изложенного в стандартах, где в зависимости от числа направлений просмотра отдельно установлены классы бессвильности, А и Б [5, 9] или VS1 и VS2 [6].

А согласно [14], оптические материалы должны подразделяться на 5 классов при рассмотрении их характеристики на бессвильность. Полностью бессвильные образцы относятся к 5-му классу, в то время как границы между остальными классами установлены в зависимости от относительной доли бездефектных областей (без свилей, дающих искажение волнового фронта 30 нм). Более строгие рекомендации по классификации материалов на основании выявленных локальных искажений предписаны в руководстве [6].

В стандартизованных методиках [5,6,9−11,14] логика контроля не ставит на первый план точное измерение локальных искажений волнового фронта и сравнение полученных значений с какой-либо принятой шкалой. Инструментами для количественных оценок устанавливаются наборы контрольных образцов сравнения (с предельно допустимыми дефектами), которые предназначены для определения пороговых уровней искажений волнового фронта, границ, характерных для соответствующих классов при сертификации оптических материалов по свильности.

В частности, у образцов сравнения, обязательных для контроля согласно [5,9], разность хода, вносимая в волновой плоский фронт искусственной свилью 1-й категории, составляет 50 нм, а свилью 2-й категории — 100 нм [13]. В стандарте [14] установлен единственный ориентир — свили с соответствующим искажением величиной 30 нм. А наиболее детальная шкала указана в [6]: 10, 15, 30 и 60 нм.

Естественно, отсутствие единой методики и общепринятой шкалы качества оптических материалов с точки зрения свильности затрудняет сопоставление результатов разных исследователей и принятие адекватного решения в производимых оценках. Более того, особенности самих процедур выполнения испытаний могут быть причиной разногласий в итогах испытаний [13].

Есть и еще одно неудобство существующих методик. Сложившиеся традиции в сфере контроля свилей, к сожалению, не предусматривают нормировку их интенсивности (отнесение обусловленных ими искажений волнового фронта к соответствующей толщине образца), как это принято, например, при оценках двулучепреломления в материалах [15]. Действующие нормы количественных оценок изначально складывались в предположении контроля крупных заготовок стекла. Для образцов меньшей толщины необходима более тонкая детализация оценочной шкалы.

Наряду с установившимися правилами существуют попытки создания методик прямых количественных оценок свилей на основе полученных теневых картин. В работе [16] показано, что попытки внесения высокой степени детерминизма в оценку результатов опытов тенеграфического метода в ряде случаев могут оказаться вполне удовлетворительными. Эффективным может быть применение средств математического моделирования при реконструкции фазовых искажений, обусловленных присутствием свилей в объеме исследуемого материала. Тем не менее, при таком подходе остается немало вопросов относительно границ применимости используемых допущений.

Как более плодотворный, видимо, может рассматриваться простой выход из существующей ситуации — переход на прямой метод интерферометрического контроля локальных неоднородностей оптического материала. Если с его помощью производится метрологическая аттестация образцов сравнения, применяемых для определения границ в различных классификациях качества материала, то в ряде случаев целесообразно отказаться от применения теневых методов и набора контрольных образцов (промежуточного и лишнего звена). Конечно, речь не идет о крупногабаритных заготовках или предварительном грубом контроле. В первую очередь, это рационально для анализа относительно тонких деталей с плоскопараллельными полированными гранями.

Таким образом, могут быть достигнуты единство измерений и однозначность оценок качества оптических материалов. По результатам испытаний, без дополнительных процедур, оценка свили может быть определена набором численных параметров: локальным искажением волнового фронта (или его удельным значением, нормированным на единицу длины хода лучей в образце), ее геометрическими размерами, максимальным градиентом показателя преломления и т. д.

Поэтому в настоящей работе для анализа деталей из ситалла марки СО-115М, получения количественных характеристик их свильности использовалась методика фазосдвигающей интерферометрии с построением карт локальных искажений волнового фронта в объеме материала. Отдельные результаты сопоставлялись с данными, полученными тенеграфическим методом.

Особенности контроля свильности в прозрачной стеклокерамике.

Для стеклокристаллических материалов, как правило, характерно наличие более грубых свилей и в больших количествах. В отличие от оптических стекол, для оценки свильности стеклокерамики используется метод контроля величины двулучепреломления, обусловленного механическими напряжениями в области свили [17,18]. Эти значения не могут быть предметом сравнения с данными, получаемыми для оптических стекол с использованием тенеграфических методов. Тем не менее, они являются важным фактором предварительного отбора материала. Например, в [17] утверждается, что образцы стеклокерамики zerodur с отсутствием свилей, обнаруживающих двулучепреломление, пригодны для анализа на соответствие классам качества, установленным в [14].

В настоящей работе все исследованные образцы были изготовлены из ситалла СО-115М, прошедшего предварительный отбор по двулучепреломлению материала еще на стадии заготовок.

Метод фазосдвигающей интерферометрии для исследования свильности деталей из стеклокерамики Рассмотрим процесс измерения и исследования качества материала оптических деталей на предмет неравномерности структуры материала. Схема получения данных, на основе которых цифровой обработкой получают результаты измерения на рис. 3.9.

Рассмотрим отдельно взятые точки, А и B. Ввиду малого клина между поверхностями исследуемой детали (рабочей и обратной поверхностями) будем считать их строго параллельными друг другу. Преобразованный в параллельный пучок света луч He-Ne лазера, проходит через опорную пластину Р1, разделяясь светоделительной пластиной 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, проходит через деталь толщиной d и показателем преломления nA, отражается от возвратного зеркала и накладывается на луч Еa1 в точке А.

Возникающие в точках, А и В вследствие разности хода отраженных волн:

.

И 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 показателей преломления материала (nA-nB). Полную картину оптических искажений в исследуемой детали можно восстановить при последовательном сравнении фазовых характеристик (при переходе от точки к точке) всей интерференционной картины.

В данной работе эта процедура выполняется специальной компьютерной программой. Полная картина оптических искажений (или вариаций показателя преломления материала) отражается в различных форматах на экране монитора.