Чем профилометр отличается от интерферометра при контроле асферики 

Асферические линзы встречаются всё чаще — в камерах смартфонов, автомобильных камерах, оптических модулях VR/AR. Но те, кто занимается оптическим производством, знают: самое сложное в асферике — не обработка, а контроль.

У сферических поверхностей есть эталонная поверхность для сравнения, у асферических — нет. Каждая асферическая поверхность «уникальна», крутизна меняется в широких пределах, радиусы кривизны варьируются в большом диапазоне — всё это предъявляет высокие требования к измерительному оборудованию.

Сегодня основными методами контроля являются два: профилометр (контактный) и интерферометр (бесконтактный). При измерении одной и той же асферической поверхности их данные часто не совпадают. В этой статье разберёмся: как каждый из них работает? Почему возникают расхождения? И где именно кроется причина?

1. Два метода — два «взгляда»

Профилометр: поточечное сканирование

Профилометр использует алмазный щуп, который сканирует поверхность точка за точкой, записывая трёхмерные координаты щупа и восстанавливая таким образом профиль поверхности.

Преимущества: продольное разрешение до нанометров, большой диапазон измерений, нечувствительность к коэффициенту отражения поверхности (можно измерять металлы, покрытия, мягкие материалы).

Недостатки: низкая скорость, щуп может поцарапать мягкие поверхности, измеряется «линия», а не «поверхность».

Интерферометр: волновой фронт по всему полю

Интерферометр получает информацию о форме поверхности путём анализа интерференционных полос между измеряемым и опорным волновыми фронтами. При измерении асферики обычно требуется компенсатор (например, голограмма CGH), преобразующий измерительный волновой фронт в форму, соответствующую измеряемой поверхности.

Преимущества: измерение по всему полю, высокое поперечное разрешение, возможность фиксировать средне- и высокочастотные ошибки формы.

Недостатки: требуется специальный компенсатор, сложности при измерении поверхностей с большой крутизной, крайняя чувствительность к вибрациям и температуре.

Ключевое различие: они «видят» не одно и то же

Это и есть ядро понимания проблемы расхождений:

• Профилометр выдаёт двумерный профиль вдоль линии сканирования, отражая главным образом вращательно-симметричную составляющую.

• Интерферометр выдаёт фазу волнового фронта по всему полю, позволяя выделить невращательно-симметричную составляющую и средне- и высокочастотные компоненты.

Иными словами, оба метода по сути измеряют разные частотные составляющие ошибки формы. Прямое сравнение значений PV или RMS иногда вводит в заблуждение.

2. Насколько велики расхождения?

В идеальных условиях результаты могут быть очень близки. Есть данные: при измерении асферической поверхности диаметром 200 мм профилометром со сшивкой данных PV = 0,85 мкм, интерферометром — PV = 0,89 мкм, расхождение менее 2%.

Но гораздо чаще значения PV/RMS существенно различаются. Закономерность примерно такова:

• Низкочастотные ошибки (сферическая аберрация, астигматизм и т.д.): оба метода дают хорошее согласие.

• Средне- и высокочастотные ошибки: фиксирует только интерферометр; профилометр из-за шага сканирования их не разрешает.

Так что расхождение — это не обязательно «кто-то измерил неправильно», а скорее «кто-то что-то упустил».

3. Анализ источников расхождений: где кроется проблема?

3.1. Систематические погрешности приборов

Основные источники погрешности профилометра:

• погрешность компенсации радиуса щупа (щуп не идеальная точка: на вогнутой поверхности происходит «уширение», на выпуклой — «сжатие»)

• погрешность прямолинейности направляющих

• погрешность калибровки линейных датчиков

• деформация поверхности под действием измерительного усилия

Основные источники погрешности интерферометра:

• погрешность опорной поверхности

• остаточная погрешность проектирования компенсатора

• системная погрешность волнового фронта

• нелинейность фотодетектора

3.2. Погрешность несовмещения систем координат

Это наиболее легко упускаемый и наиболее критичный источник погрешности при контроле асферики профилометром.

Если между измерительной системой координат и системой координат детали существует радиальное смещение или угловой наклон, измеренная форма поверхности приобретает несимметричные искажения. Особенно сильно это проявляется при измерении крупногабаритной асферики с малым радиусом кривизны.

В ряде исследований выведены уравнения передаточных коэффициентов влияния различных погрешностей на форму поверхности. Вывод: влияние возрастает с увеличением измеряемого диаметра, абсолютного значения радиуса кривизны в вершине, погрешностей позиционирования и ориентации систем координат.

3.3. Факторы окружающей среды и юстировки

• Интерферометр: крайне чувствителен к вибрациям, температурным колебаниям, воздушным потокам — измерения необходимо проводить в термостабильных виброизолированных условиях.

• Профилометр: менее чувствителен к вибрациям, но температурные изменения вызывают тепловое расширение детали и конструкции прибора.

Что касается юстировки: интерферометр требует точной настройки взаимного положения компенсатора и измеряемой детали; профилометр — точного совмещения положения вершины и направления оси симметрии.

4. Что делать? Слияние данных и коррекция погрешностей

Раз оба метода имеют свои сильные стороны, естественная идея — объединить их.

Совмещённые измерения волнового фронта и профиля

В патенте США US9212901 описано комбинированное измерительное устройство: интерферометрическая система измерения волнового фронта и профилометрическая система объединены на общей несущей конструкции, измеряемая деталь устанавливается на вращающемся основании, и оба измерения выполняются без перемещения детали.

Разделение задач чёткое:

• Интерферометрия → получение невращательно-симметричной составляющей и среднепространственных частотных компонент

• Профилометрия → получение вращательно-симметричной составляющей

• Совместно с данными об идеальной асферической форме → синтез полного отклонения реальной формы поверхности

Профильные измерения могут выполняться от 1 до 10 раз; усреднение по нескольким сканированиям сглаживает вариации измерений и шум прибора.

Единая система координат и компенсация погрешностей

Предпосылка слияния данных — единая координатная база. Конкретный подход:

1. По данным измерений выполняется аппроксимация кривой второго порядка для определения приближённого положения вершины.

2. По принципу «минимума разности RMS данных слева и справа от вершины» методом золотого сечения определяется величина смещения — так достигается точная локализация вершины и сшивка данных.

3. Для рычажных профилометров можно построить функциональную зависимость между параметрами измерения и отклонением от асферики, найти и устранить систематическую погрешность.

5. Краткое резюме

Профилометр и интерферометр: один силён во вращательно-симметричной составляющей, обладает большим диапазоном и нечувствителен к поверхности; другой незаменим при измерении по всему полю, для невращательно-симметричных и средне-высокочастотных ошибок.

Расхождения между ними по своей сути обусловлены различием принципов измерения — они «видят» разные стороны ошибки формы.

Понимая это, вы не станете просто говорить «кто-то измеряет неточно», а выберете подходящий метод в соответствии с задачей контроля или через совмещённую технологию «волновой фронт + профиль» с точной координатной привязкой и компенсацией погрешностей получите более полное и надёжное представление формы поверхности.

По мере всё более широкого применения асферических и свободно-формованных элементов единой системы прослеживаемости величин и развитие интеллектуальных алгоритмов слияния данных станут важными направлениями в этой области.