close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

РПЗ

код для вставкиСкачать
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
« Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА
РЛ «Радиоэлектроника и лазерная техника»
РЛ-2 «Лазерные и оптико-электронные системы»
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к курсовому проекту на тему:
«Динамический микроинтерферометр на основе
микроинтерферометра Линника с использованием
пикселизованной маски»
Студент:
Алехина М.М.
______________
(Подпись, дата)
Учебная группа: РЛ2-82
Руководитель курсового
проекта: доц. каф. РЛ-2 Животовский И.В._____________
(Подпись, дата)
Москва, 2012
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана)
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой РЛ-2
Барышников Н.В.
«____»_____________2012 г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовогопроекта
по дисциплине «Проектирование оптико-электронных приборов»
на тему «Динамический микроинтерферометр на основе
микроинтерферометра Линника с использованием пикселизованной маски»
студент
Алехина М.М. РЛ2-82
График выполнения проекта: 25% к _ нед.,50% к _ нед., 75% к __ нед., 100% к __ нед.
1. Техническое задание
Разработать функциональную, оптическую схему устройства,
выполнить конструкторскую документацию по сборочным узлам
динамического
микроинтерферометра
(приемного
канала,
фокусирующего объктива микроинтерферометра, фокусирующего
объектива эталонной ветви микроинтерферометра, узла эталонного
зеркала и светоделительных узлов).
2. Оформление курсового проекта
2.1. Расчетно-пояснительная записка на 25-35 листах формата А4.
2.2. Перечень графического материала (плакаты,схемы,чертежи и
т.п.):
1. Функциональная схема – 0.5 листа А1;
2. Расчетная часть – 0,5 лист А1.
3. Оптическая схема – 1 листа А1;
4. Сборочный чертеж функциональных узлов – 2 лист А1;
Дата выдачи задания «__» июня 2012 г.
Руководитель курсового проекта И.В. Животовский
Студент М.М. Алехина
1
Содержание:
Введение…………………………………………………………………………...3
Выбор функциональной схемы интерферометра…………………...………….3
Принцип работы динамического микроинтерферометра с использованием
пикселизованной маски…………………………………………………………..4
Выбор источника излучения……..………………………...…………………….6
Выбор приемника излучения…………………..…………...…………………….7
Расчет оптической системы интерферометра……...…………...……………….7
Габаритный расчет оптической системы……………………...…..................8
Выбор светоделительных кубиков…………………...……...……………….8
Выбор четвертьволновой пластинки…………………...…………………….9
Выбор вспомогательных зеркал…………………...…………………...…….9
Выбор эталонного зеркала…………………............................……………...10
Расчет фокусирующего объектива…………………...……………...………10
Выбор конструкции афокальной системы……………...………...………...13
Расчет афокальной системы…………………...………………………….…14
Расчет диафрагмы…………………...…………………………………...…...17
Расчет приемного объектива………………………………………………...20
Описание конструкции интерферометра…………………………………...….24
Заключение……………………………………………………………………....25
Литература…………………………………………………………….................26
Приложения…………………………………………………………..………….27
2
Введение
Данный курсовой проект посвящен разработке динамического
интерферометра, предназначенного для измерения шероховатости
оптических поверхностей высокой точности, даже при наличии
значительных вибраций и турбулентности воздуха.
В обычном фазосдвигающем интерферометре получение нескольких
кадров осуществляется в течение многих миллисекунд, и этого времени
достаточно для ухудшения результатов измерений из-за влияния вибраций и
турбулентности. В динамическом интерферометре все данные о фазе
приобретаются одновременно, по меньшей мере, в течение 30 микросекунд.
Такая скорость позволяет динамическому интерферометру измерять
шероховатость точных оптических поверхностей, подобно обычному
микроинтерферометру, без защиты от вибраций и без понижения воздушной
турбулентности воздуха. Также эта особенность позволяет монтировать
интерферометр на полирующем оборудовании, на порталах или на роботах.
Эта свобода позиционирования означает, что прибор может измерять в
любом месте, например, на поверхностях крупных оптических деталей, и эти
детали могут располагаться где угодно, в том числе и на полирующем
оборудовании.
Выбор функциональной схемы интерферометра
В качестве прототипа разрабатываемого прибора возьмем
динамический микроинтерферометр NanoCam Sq. Его функциональная схема
состоит из трех основных частей: осветительная система, объектив
микроинтерферометра Линника с ортогонально поляризованными
контролируемой и эталонной ветвями, приемный канал, включающий в себя
камеру высокого разрешения с пикселизованной маской (рис. 1).
Рис .1. Функциональная схема динамического интерферометра
NanoCam Sq.
3
Функциональная схема разрабатываемого микроинтерферометра будет
выглядеть практически также, за исключением осветительной системы.
Вместо светодиода будем использовать лазер с афокальной системой (рис. 2).
Рис. 2. Функциональная схема разрабатываемого динамического
интерферометра.
Принцип работы динамического микроинтерферометра с
использованием пикселизованной маски
Лазер излучает линейно поляризованный свет, причем угол
,
a
который определяется как   arctg( 2 ) , где a1 и a2 - полуоси эллипса
a1
0
поляризации, равен 45 . Пройдя через телескопическую систему пучок
расширяется и далее, направляемый зеркалами, попадает на первый
светоделительный кубик. Ко второму кубику проходит только часть
излучения, остальная часть отводится. Поляризационный светоделительный
кубик разделяет излучение на два перпендикулярно поляризованных пучка
4
лучей, один из них, который проходит к контролируемому зеркалу,
поляризован вдоль оси x, другой же, попадающий в эталонную ветвь,
поляризован перпендикулярно плоскости x0y (см. рис. 2). Когда пучки лучей,
отразившись от эталонного зеркала и контролируемой поверхности, вновь
объединяются, у них уже имеется разность по фазе, которая появилась за
счет неровностей тест-объекта. Далее оба пучка попадают вторично на
светоделительный кубик, и часть излучения направляется в приемный канал.
Перед приемным объективом оба луча проходят через фазовую
четвертьволновую пластинку, которая преобразует линейно поляризованное

излучение в поляризованное по кругу и вносит задержку по фазе
между
2
колебаниями. Ее оси расположены под углом 45 к плоскости x0y.
Эталонный пучок лучей имеет теперь круговую поляризацию правого
вращения, а контролируемый – круговую поляризацию левого вращения.
Приемный объектив изображает эталонную и контролируемую поверхность
на ПЗС-матрице. Перед ней расположена пикселизованная маска,
формирующая интерференционную картину на матрице. Пикселизованная
маска представляет из себя набор ячеек, в каждой из которых находится по
четыре поляризатора, главные плоскости которых ориентированы под углами
00 , 450 , 900 и 1350 к плоскости x0y (рис. 3).
0
Рис. 3. Пикселизованная маска.
Рис. 4. Прохождение излучения через пикселизованную маску.
5
Разность фаз между эталонным и контролируемым пучками в
зависимости от координат (x,y) определяется через интенсивности,
зафиксированные за каждым поляризатором на ПЗС-матрице:
1
2
I1  Eэ  Eк  (a2  b2  2ab  cos( )) ;
2
1 2 2

I2  (a  b  2ab  cos(  )) ;
2
2
1 2 2
I3  (a  b  2ab  cos(   )) ;
2
1
3
I4  (a2  b2  2ab  cos(  )) ;
2
2

I 2  I 4 2  sin(   )sin( 2 ) sin( )


 tg ;
I1  I 3 2  sin(   )sin( ) cos( )
2
2
I2  I4
 ( x, y)  arctg(
).
I1  I3
Зная разность фаз, можно легко определить разность высот между
эталонным и контролируемы зеркалами в конкретной точке (x,y):

h( x, y)  ( x, y) .
4
Выбор источника излучения
Из опыта предыдущих поколений и исследований прототипов
выбираем He-Ne
лазер, который имеет рабочую длину волны,
расположенную в красной части видимого спектра. Эти лазеры имеют
небольшие габариты и вполне приемлемую стоимость.
На сайте http://www.plasmalabs.ru/ выберем He-Ne лазер серии ГН-0,5.
Лазеры серии ГН - это газовые лазеры непрерывного режима работы и
излучением на длине волны 0,63 мкм. Данные лазеры могут быть
использованы
в
контрольно-измерительной
технике,
полиграфии,
голографии, медицинской технике и других технологических и лабораторных
установках в качестве источников когерентного и монохроматического
излучения. Лазеры просты по конструкции и удобны в эксплуатации.
Излучение этих лазеров имеет низкий уровень шума, высокую стабильность
и низкую расходимость пучка излучения.
Рис. 5. He-Ne лазер серии ГН.
6
Таблица 1. Параметры He-Ne лазер серии ГН-0,5.
Параметры
ГН-0.5
0.5
Мощность излучения, мВт, не менее
TEMoo
Спектральный состав
0.5
Диаметр пучка, мм, не более
2.0
Расходимость излучения, мрад, не более
10
Потребляемая мощность, Вт, не более
Габариты излучателя, мм, не более
30 145
Габариты источника питания, мм, не более
110  35  85
0.2 /0.4
Масса, кг, не более (излучатель/источник питания)
10000
Гарантийная наработка, ч, не менее
25000
Средний ресурс, ч, не менее
Рис. 6. Габаритный чертеж излучателя.
Выбор приемника излучений
Выберем черно-белую ПЗС-матрицу высокого разрешения наиболее
распространенного формата 1/ 3 ( 3,6  4,8 мм) фирмы Sony ICX445ALA.
Количество пикселей этой матрицы 1296  966 . Размер каждого пикселя
3,75  3,75мкм .
В дальнейшем возможна замены данной ПЗС-матрицы после
выполнения светоэнергетического расчета.
Расчет оптической системы интерферометра
При расчете оптической системы рекомендуется стремиться к
использованию простых деталей и узлов, применять готовые изделия,
учитывать технологические возможности производства. Конструкция
каждого элемента прибора должна быть обоснована технически и
экономически.
Рабочая интерференционная картина возникает при взаимодействии
плоского эталонного волнового фронта и деформированного рабочего
фронта. Практически деформация рабочего фронта может быть следствием
ошибок изготовления всех элементов рабочей ветви, а также остаточных
аберраций в этой ветви. Поэтому важно, чтобы качество оптических деталей
7
рабочей ветви было наивысшее, а остаточные аберрации необходимо
устранить при расчете.
Габаритный расчет оптической схемы
Для определения примерных габаритов оптической системы прибора
проведем небольшой расчет. Количество пикселей по одной из осей в ПЗСматрице N 1000 . При наилучшем раскладе в один пиксель матрицы должна
вписываться одна длина волны (рис. 7). Соответственно, при данном
количестве пикселей на ПЗС-матрице должна изображаться площадка
объекта размером N   1000 . В видимой области спектра диаметр этой
площадки равен примерно 0,5 мм. Эта площадка и есть та область, которую
необходимо подсветить на эталонном и контролируемом зеркалах.
Рис. 7. Схема для примерного расчета габаритов оптической системы
(фокусирующего и приемного объектива). Справа представлена ПЗСматрица (N - колическтво пикселей по оси x или y, а – размер пикселя), слева
– область, подсвеченная на эталонном или контролируемом зеркале.
Так как выбранная матрица имеет размер 3,6  4,8мм , то оптическая
система, состоящая из фокусирующего и приемного объектива, должна иметь
увеличение  
3,6
 7,2 . Таким образом, задавая фокусное расстояние одного
0,5
объектива, можно определить фокусное расстояние другого.
Использовать слишком маленький диаметр пучка, проходящий между
объективами, мы не можем из-за явления дифракции, но в то же время
сильное увеличение размера пучка приводит к значительным увеличениям
габаритов прибора. Пусть диаметр пучка будет равен 20 мм. Тогда фокусное
расстояние фокусирующего объектива примем равным 30 мм (меньше взять
мы не можем, так как относительно отверстие объектива будет слишком
большим), и, следовательно, с учетом увеличения оптической системы
фокусное расстояние приемного объектива должно быть примерно равным
216 мм.
Габаритный расчет афокальной системы будет приведен далее.
Выбор светоделительных кубиков
Так как размер пучка, проходящего через светоделительные кубики
равен примерно 20 мм, то ближайшим большим стандартным размером
кубиков является 25  25  25 мм.
8
В качестве материала светоделительного кубика выбираем стекло К8, а
для поляризационного кубика - кварц.
Выбор четвертьволновой пластинки
Фазовыми
пластинками
называют
устройство,
создающее
определенную
разность
фаз
между
ортогональными
линейно
поляризованными составляющими оптического излучения. Выберем
фазовую пластинку множественного порядка, которую изготавливают из
одиночной пластины толщиной, создающей требуемую разность хода лучей

обыкновенного и необыкновенного, равную . Такие пластинки выполняют
4

толщиной (2N  1) , где N=1, 2, 3…
4
На сайте http://opticsprovider.ru выберем подходящую нам по световому
диаметру и длине волны четвертьволновую пластинку С128. Диаметр ее
равен 25,4 мм, толщина пластинки около 2 мм.
Таблица 2. Выполняемы требования к изготовлению четвертьволновой
пластинки.
Материал:
Кристаллический кварц оптический
Допуск на диаметр:
+ 0,0 /- 0,2 мм
Толщина:
2,0 мм
Чистота поверхностей:
P III — P IV
Форма поверхностей:
N 0,2 – 0,5
Клиновидность пластины: 1"
Допуск на разность фаз:
± от 0,5° до 4° при 22°С
Просветляющее покрытие: R<0,25% на рабочей длине волны; по запросу
Оптическая прочность:
300 Мвт/см² (имп. реж.)
Выбор вспомогательных зеркал
Три вспомогательных зеркала установлены в параллельном пучке
лучей под углом 450 , два из них отражают пучок лучей диаметром 0,5 мм, а
последнее – 20 мм.
Известно, что в параллельном пучке плоское зеркало аберраций не
вносит. Поэтому выполняем только габаритный расчет, в результате
которого находим толщину зеркала и его световой диаметр. Световой
диаметр
двух
зеркал
должен
быть

0,5
 0,7 мм ,
cos450
а
другого
-
20
 28,3мм . Из технологических соображений выбираем диаметры
cos450
зеркал равные D1  4 мм , D2  4 мм и D3  34 мм . Для особо точных зеркал

9
рекомендуемая толщина d  (1/ 5  1/ 7)D . Таким образом, толщины зеркал
примем равными d1  0,8мм , d2  0,8мм и d3  5мм .
Выбор эталонного зеркала
Эталонное зеркало, плоское, установленное нормально к оптической
оси фокусирующего объектива. Световой диаметр зеркала должен быть
 0,5мм . Из технологических соображений выбираем диаметр зеркала равный
10 мм, а его толщину - 2 мм.
Расчет фокусирующего объектива
Фокусирующий объектив в данном случае является элементом рабочей
ветви и предназначен для преобразования параллельного пучка лучей в
сходящийся гомоцентрический. Объектив должен быть исправлен на
сферическую аберрацию и по возможности иметь простую и надежную
конструкцию. Указанным требованиям отвечает двухлинзовый склеенный
объектив. Но так как требуемый объектив должен иметь относительное
отверстие
D 1

f  1,5
( D  20мм ,
f   30 мм ), то двухлинзовый
склеенный
объектив, у которого вследствие наличия аберраций высших порядков
относительное отверстие не может быть больше
D 1
при фокусных

f 4
расстояниях менее 150 мм, нам не подходит. Добавим к двухлинзовой
склейке еще одну линзу, и постараемся получить объектив,
удовлетворяющий нашим требованиям, в программе Zemax.
Для начала зададим более или менее разумную оптическую систему,
которая допускает трассировку лучей через все ее поверхности. Для
фокусировки излучения используем параксиальную линзу. Также зададим
поле объекта: 0 и 0,25мм и рабочую длину волны 0,6328 мкм. Далее
определим, какие параметры системы будут переменными величинами.
Переменными параметрами выберем все радиусы поверхностей линз,
их толщины с учетом технологических соображений, а также расстояние
между линзами и от объекта до первой поверхности первой линзы объектива.
Теперь зададим подходящую для данной задачи целевую функцию. Выберем
наиболее часто встречающийся тип целевой функции RMS (RMS – это
корень квадратный из средней величины квадратов всех отдельных ошибок).
Оптимизируемой характеристикой оптической системы зададим Spot Radius
(полная поперечная аберрация лучей в плоскости изображения или радиус
пятна рассеяния). Для вычисления RMS относительно центра тяжести
аберраций для всех лучей, исходящих из точки поля, выберем в качестве
опорных точек оптимизации Centroid (рис. 8).
10
Рис. 8. Целевая функция оптимизации.
Далее зададим фокусное расстояние системы f   30 мм с помощью
оператора оптимизации EFLX. Также ограничим максимальные и
минимальные толщины линз и расстояние между ними с помощью
операторов MNCG, MXCG, MNCA, MXCA (рис. 9).
Рис. 9. Редактор целевой функции оптимизации фокусирующего
объектива.
Для оптимального подбора стекол линз сначала проведем глобальную
оптимизацию, разрешив перед этим заменять марки стекол другими стеклами
из русского каталога. Потом будем проводить обычную оптимизацию до тех
пор, пока пятно рассеяния почти не будет выходить за теоретический предел
разрешающей способности системы (кружок Эйри). При этом сферические и
волновые аберрации должны быть минимальны. Также модуляционная
11
передаточная функция должна стремиться к дифракционному пределу. Если
полученные результаты нас не устраивают, то уменьшаем вес операторов
оптимизации или снова проводим глобальную оптимизацию для замены
марок стекол.
Для того, чтобы диаметр вышедшего из объектива пучка лучей был
примерно 20 мм задается диаметр входного зрачка. В нашем случае он
получился равным 18,56 мм. Если после изменения диаметра входного
зрачка аберрации увеличиваются, то снова проводится оптимизация.
Полученный оптимизированный объектив выглядит следующим
образом:
Рис. 10. Оптимизированный фокусирующий объектив.
Рис. 11. Точечные диаграммы
фокусирующим объективом.
12
пятна
рассеяния,
образуемого
Рис. 12. Сферические и волновые аберрации фокусирующего объектива.
Рис. 13. Модуляционная передаточная функция фокусирующего объектива.
Конструктивные параметры данного объектива будут приведены ниже
после оптимизации телескопической системы и приведения радиусов
сферических поверхностей линз к стандартным. Световые диаметры линз
также будут приведены далее.
Выбор конструкции афокальной системы
Афокальная система предназначена для расширения лазерного пучка с
целью засветки входного зрачка фокусирующего объектива и уменьшения
угла расходимости пучка. В нашем случае необходимо, чтобы диаметр пучка
на выходе афокальной системы был 20 мм. Размер перетяжки выбранного
лазера равен 0,5 мм. Отсюда следует, что требуемое видимое увеличение
афокальной системы будет Г т  40 . При таких увеличения целесообразно
использовать телескопическую систему Кеплера с точечной диафрагмой,
13
составленную из двухлинзовых объективов. Определив фокусное расстояние
одного объектива, мы можем определить фокусное расстояние другого.
Исходя их технологических соображений, примем фокусное расстояние
первого объектива равным 4 мм. Тогда необходимое фокусное расстояние
второго объектива будет 160 мм. Нужно учитывать также, что волновые
аберрации компонентов должны по возможности иметь противоположный
знак для взаимной компенсации их остаточных аберраций.
Расчет афокальной системы
Для начала зададим в программе Zemax более или менее разумную
оптическую систему, состоящую из двух двухлинзовых склеенных
объективов. Далее аналогично расчету фокусирующего объектива задаем в
качестве переменных параметров толщины линз, радиусы поверхностей линз
и расстояние между двумя объективами. Диаметр входного зрачка задаем 0,5
мм и размер объекта также 0,5 мм для имитации лазерного излучения. Поле
объекта в данном случае выбираем 0 мм, так как пучок лучей, падающий на
телескопическую систему, является параллельным.
Подходящую для данной системы целевую функцию оставляем ту же,
что и для расчета фокусирующего объектива (см. рис. 8). Далее аналогично
зададим фокусное расстояние первого объектива f   4 мм и второго
объектива f   160 мм и ограничим максимальные и минимальные толщины
линз и расстояние между ними. Также используем параксиальную линзу.
Марки стекол стараемся использовать те, которые уже используются в нашей
оптической системе. Это нужно для того, чтобы прибор получился более
дешевым.
После проведения оптимизации телескопической системы для расчета
оптимальной
оптической
системы
(телескопическая
система
+
фокусирующий объектив) будем проводить оптимизацию в программе Zemax
телескопической системы вместе с рассчитанным ранее фокусирующим
объективом, а также вместе с двумя светоделительными кубиками. Для этого
в редакторе данных оптической системы для телескопической системы
убираем параксиальную линзу, добавляем две плоскопараллельные
пластинки из стекла К8 и толщиной 25 мм для имитации двух
светоделительных кубиков и за ними помещаем фокусирующий объектив,
который предварительно обернули.
Переменные параметры оставляем те же. Расстояние между кубиками и
от кубиков до объективов задаем, учитывая конструкцию прибора. Проводим
оптимизацию до тех пор, пока размер пятна рассеяния, сферические и
волновые аберрации не будут минимальны. Также модуляционная
передаточная функция должна стремиться к дифракционному пределу.
14
Рис. 14.Редактор целевой функции оптимизации фокусирующего
объектива.
Далее округляем получившиеся толщины и расстояния между
компонентами до десятичных. Снова оптимизируем, предварительно
зафиксировав значения округленных параметров. Теперь по ГОСТ 1807-75
подбираем наиболее близкие стандартные значения радиусов поверхностей
линз, при этом предпочтение следует отдавать ряду R125, затем R250, R500,
R1000. Снова оптимизируем систему, оставим переменным параметром
только расстояние от фокусирующего объектива до плоскости изображения.
Оптимизированная оптическая система выглядит следующим образом:
Рис. 15. Оптимизированная оптическая система в прямом ходе лучей
интерферометра.
15
Рис. 16.Редактор данных оптической системы (телескопическая
система + светоделительные кубики + фокусирующий объектив).
Рис. 17. Точечная диаграмма пятна рассеяния, образуемого
оптической системой в прямом ходе лучей интерферометра.
16
Рис. 18. Сферические и волновые аберрации оптической системой в
прямом ходе лучей интерферометра.
Рис. 19. Модуляционная передаточная функция аберрации оптической
системой в прямом ходе лучей интерферометра.
Расчет диафрагмы
Для начала найдем дифракционный предел функции рассеяния для
параллельного пучка лучей диаметром 0,5 мм в задней фокальной плоскости
первого объектива телескопической системы :
1,22
1,22  0,63 103
r f
4
 6,15мкм .
D
0,5
Резонатор выбранного лазера является полуконфокальным, а,
следовательно, и устойчивым, поэтому в нем образуется гауссовы пучки
лучей. Так как интенсивность в поперечном сечении основной моды лазера
образует быстро ослабевающую при удалении от оси картину, необходимо
17
использование точечной диафрагмы в телескопической системе для того,
чтобы уравнять интенсивность излучения пучка лазера.
Проведем расчет требуемого диаметра диафрагмы.
Основная мода 00 представляет собой моду с гауссовым
распределением интенсивности в любом из радиальных направлений в
поперечном сечении:
I (r, z)  I0 (
r0 2
r 2
) exp((
) ).
r( z )
r( z )
Здесь r(z)- радиус поперечного сечения пучка на расстоянии z от перетяжки,
r0 - радиус перетяжки.
Так как резонатор полуконфокальный, перетяжка пучка излучения с
радиусом 0,25 мм находится на плоском зеркале резонатора.
Расстояние от фокуса линзы до перетяжки определим из выражения:
zp  a  (sF ) , где a  83,5мм - расстояние от перетяжки до линзы,
sF  3,382 мм .
Тогда zp  83,5  3,382  80,118мм .
Конфокальный параметр определяется через радиус перетяжки:
 r2
  0,252
zk  0 
 310,287 мм .
 0,6328 103
Радиус пятна на первой поверхности линзы объектива тогда найдем по
следующей формуле:
z
r( z)  r0 1  ( )2 .
zk
При z  83,5мм rz  0,25 1  (
83,5 2
)  0,251мм .
310,287
Распределение интенсивности излучения на первой поверхности линзы
объектива:
r
r
I (r)  ( 0 )2 exp(( )2 ) .
rz
rz
Найдем когерентную функцию рассеяния дифракционно-ограниченной
оптической системы в виде сферической линзы с круглым зрачком.

 f  r r0
 f  r 2   r
h(r)  F circ(
)  exp((
) )  2 2 
rz
rz
2rz

  f
2
z
Функцию
(
B(r) 
r

 2 f 2
2
z
rz
r)
r0 2 rz
2 2rz2 2
f

exp( 2 2 r ) .
r
rz  f 
 f
2 z r

f
2 J1 (2
rz
r)
f
ограничим
r
2 z r
f
2 J1 (2
3,88  f 
 6,227 103 ):
2  rz
18
первыми
нулями
4
3.210
4
1.110
B( r)
 0.02
 0.01
0
0.01
0.02
0.01
0.02
 1104
r
4
3.210
4
1.110
G( r)
 0.02
 0.01
0
 1104
r
Построим график второй функции свертки E(r) 
300
225
E( r)
150
75
3
 610
3
 3.610
3
3
 1.210
1.210
3
3.610
3
610
r
Найдем свертку этих двух функций:
h(r) 
0.015

E(r  u)  G(u)du .
0.015
Пронормируем функцию рассеяния:
h(0)  2,736 104
0.015
Следовательно, h(r) 

0.015
E(r  u)  G(u)du
2,736 104
19
.
r0 2 rz
2 2r2
exp( 2 z2 r2 ) :
rz  f 
 f
1
0.9
0.8
0.7
0.6
h( r)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
 0.015  0.012  910 3  610 3  310 3
0
r
310 3 610 3 910 3
Для того чтобы найти распределение
полученную функцию возвести в квадрат:
0.015

I (r)  ( 0.015
0.012
0.015
интенсивности,
нужно
E(r  u)  G(u)du
2,736 10
4
)2 .
1
0.9
0.8
0.7
0.6
I ( r)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
 0.015  0.012  910 3  610 3  310 3
0
r
310 3 610 3 910 3
0.012
0.015
Ограничим эту функцию по уровню 0,8. Диаметр диафрагмы тогда
будет равен 3, 2 мкм.
Расчет приемного объектива
Приемный объектив должен фокусировать лучи, отраженные от
эталонного зеркала и контролируемой поверхности на ПЗС-матрице
( 3,6  4,8мм ). Необходимо рассчитать такой объектив, чтобы изображение
всей подсвечиваемой области контролируемой поверхности, а также
эталонного зеркала вписывалось в размер ПЗС-матрицы, то есть диаметр
изображения, как выше уже было сказано, должен быть не больше 3,6 мм.
Фокусное расстояние приемного объектива было примерно оценено
f   7,2  30  216мм . Желательно его уменьшить для уменьшения габаритов
прибора.
Оптимизацию приемного объектива будем проводить в программе
Zemax вместе с фокусирующим объективом, двумя светоделительными
20
кубиками и четвертьволновой пластинкой, так как он должен
компенсировать аберрации остальных уже рассчитанных элементов
оптической системы. Для этого обернем фокусирующий объектив, задав
расстояние от объекта до первой поверхности его линзы таким, чтобы размер
объекта был равен 0,5 мм. Из геометрических соображений это расстояние
будет равно
26,373 
0,25  26,373
 25,64 мм ,
9,082
где 26,373 мм – передний
фокальный отрезок, а 9,082 мм – световой полудиаметр первой поверхности
линзы. Далее добавим два светоделительных кубика, четвертьволновую
пластинку, представив ее как простую плоскопараллельную пластинку такой
же толщины 2 мм из стекла К8. Затем зададим более или менее разумную
оптическую систему, состоящую из двух линз. Если две линзы объектива не
будут удовлетворять нашим требованиям, то будет необходимо повышать их
количество.
Зададим поле объекта: 0 и 0,25мм и рабочую длину волны 0,6328 мкм.
Переменными параметрами выберем радиусы поверхностей линз
рассчитываемого объектива, их толщины с учетом технологических
соображений, а также расстояние между линзами и последней поверхности
второй линзы объектива до плоскости установления ПЗС-матрицы. Целевую
функцию оставляем ту же, что и для расчета фокусирующего объектива (см.
рис. 8). Далее аналогично зададим фокусное расстояние объектива для
начала f   190 мм и ограничим максимальные и минимальные толщины линз
и расстояние между ними. Марки стекол стараемся использовать те, которые
уже используются в нашей оптической системе.
Рис. 20. Редактор функции оптимизации приемного объектива.
Подбирая марки стекол, а также уменьшая вес некоторых операторов
оптимизации, был получен объектив, удовлетворяющим нашим требованиям,
а именно размер изображения идеально вписывается в ПЗС-матрицу, размер
21
пятна рассеяния, сферические и волновые аберрации почти минимальны, а
модуляционная передаточная функция стремиться к дифракционному
пределу.
Далее аналогично расчету оптической системы для прямого хода лучей
интерферометра было произведено округление толщин и расстояний между
линзами, а также заменены радиусы поверхностей линз стандартными.
Оптимизированная оптическая система выглядит следующим образом:
Рис. 21. Оптимизированная оптическая система в прямом ходе лучей
интерферометра.
Рис. 22. Редактор данных оптической системы (фокусирующий объектив +
светоделительные кубики + четвертьволновая пластинка + приемный
объектив).
22
Рис. 23. Точечная диаграмма пятна рассеяния, образуемого
оптической системой в обратном ходе лучей интерферометра.
Рис. 24. Сферические и волновые аберрации оптической системой в
обратном ходе лучей интерферометра.
23
Рис. 25. Модуляционная передаточная функция аберрации оптической
системой в обратном ходе лучей интерферометра.
Проектирование конструкции микроинтерферометра
Конструктивно динамический микроинтерферометр состоит из
следующих сборочных узлов: осветительная система, приемный канал,
светоделительный и поляризационный светоделительный кубики, два
фокусирующих объектива и эталонное зеркало. Все узлы крепятся к общему
основанию.
Для продольной юстировки объективов используется метрическая
однозаходная резьба с шагом 0,5 мм, по которой в процессе юстировки
может свободно перемещаться объектив. Подобный способ юстировки
позволяет выдерживать осевые расстояния между элементами с точностью
до 100 мкм без особых усилий.
Для поперечной юстировки предусмотренные крепежные отверстия в
плате имеют диаметр, превышающий диаметр крепежных винтов на 0,5 мм.
Данный запас позволяет перемещать плату во
всех поперечных
направлениях на соответствующую величину. При получении оптимального
положения платы крепежные винты затягиваются.
Также в разработанной конструкции предусмотрена продольная
юстировка приемного канала и эталонного зеркала на случай, если
потребуется заменить какой-нибудь объектив.
В данной работе проектирование осветительной системы не
выполнялось. Опишем конструкцию остальных узлов микроинтерферометра.
Приемный канал представляет из себя цилиндр, с одной стороны
которого есть внутренняя метрическая резьба для крепления и юстировки
приемного объектива, а с другой имеются три отверстия для крепления
камеры винтами с коническим концом. Объектив может юстироваться вдоль
оптической оси в диапазоне 2мм и фиксироваться с помощью стопорного
кольца. Камера же может вращаться вокруг своей оси благодаря канавке,
сделанной по всему периметру корпуса камеры, и фиксироваться винтами.
24
Сама труба крепится к основанию с помощью двух подставок и двух
хомутов. Возможно перемещение трубы относительно кубиков вдоль своей
оси в диапазоне 5мм .
Каждый светоделительный кубик приклеим к подставке на клей
ОК-72Ф, в которую вкручиваются по четыре стойки. Сверху кубик
зажимается крышкой, и прикручивается винтами к стойкам, но сильно
затягивать не нужно, чтобы не повредить кубик. Между кубиком и крышкой
кладется резиновая прокладка. Для крепления светоделительных кубиков к
общему основанию в подставке имеются фланец с четырьмя отверстиями под
винты.
Два фокусирующих объектива крепятся к кронштейну и к общему
основанию аналогично приемному объективу, юстировка также
осуществляется аналогично. Кронштейн крепится к основанию двумя
винтами.
Эталонное зеркало помещаем в оправу между двумя кольцами,
имеющими три выступающие части, для точного позиционирования зеркала.
Для того чтобы эти кольца не проворачивались, они имеют по одному
выступу, а в оправе имеется канавка. Угловое положение зеркала юстируется
с помощью трех винтов. Линейное перемещение осуществляется при помощи
малогабаритного оптического столика SS-F в пределах 4,5мм .
Спецификации к сборочным чертежам узлов микроинтерферометра
представлены в приложении.
Заключение
В процессе проведения курсового проекта,
была разработана
следующая конструкторская документация:
- оптическая схема устройства;
- функциональная схема устройства;
сборочные чертежи приемного канала, фокусирующего объктива
микроинтерферометра, фокусирующего объектива эталонной ветви
микроинтерферометра, узла эталонного зеркала и светоделительных узлов.
Таким образом, цель данного курсового проекта была достигнута.
Дальнейшее развитие данного проекта может идти по пути увеличения
точности измерений, выполненных микроинтерферометром, так как в
разработанном в данной работе приборе кружок Эйри не укладывается в
1,22  
1,22  0,63 103
один пиксель ПЗС-матрицы ( r 
f
190  7,3мкм ). В
D
20
дальнейшем будет разработана полная конструкция устройства, а также
проведен светоэнергетический расчет, после которого можно окончательно
определиться с выбором ПЗС-матрицы и лазера.
25
Литература
«Справочник конструктора оптико-механических приборов» Панов;
«Теория оптических систем» Заказнов, Кирюшин,Кузичев;
«Расчеты оптических систем интерферометров» Лазарева
«Dynamic surface roughness profiler» Kimbrough, Brock, Millerd;
«Pixelated phase-mask dynamic interferometer» Brock, Millerd и тд.;
«One-shot surface profile measurement using polarized phase-shifting»
Chen, Du;
7. «Измерение параметров лазерного пучка лазера» Йой, Правдин.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
26
Приложения
27
Документ
Категория
Радиоэлектроника
Просмотров
64
Размер файла
1 903 Кб
Теги
рпз
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа