Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Vzhledem k tomu, že se pro moderní výkonnou optiku vyrábí stále více asférických čoček a podobných optických prvků libovolných a často velmi složitých tvarů, je nutné pro jejich proměření vyvinout vhodná měřicí zařízení, která dovedou tyto optické prvky ve výrobě rychle a celoplošně vyzkoušet. Využívání asférických a podobných ploch totiž umožňuje konstruovat menší, lehčí a pružnější zobrazovací systémy.
Na veletrhu Sensor+Test v Norimberku je každoročně sdružením AMA udílena cena za inovaci, dotovaná deseti tisíci eury pro vítězný tým. Ze čtyř nominovaných přístrojů (z nichž tři se týkaly optických systémů) zvítězil v roce 2014 interferometr TWI, využívající optický postup pro vyměřování asférických ploch. Tento vynález Christopha Prusse z ústavu pro technickou optiku Univerzity Stuttgart je určen zejména k vyměřování asférických čoček.
Základním principem je interferometrie. Ačkoliv jsou interferometrické metody již dávno známy, byly zatím pro praxi nevhodné. Společnou vlastností těchto optických postupů je ozařování měřeného objektu monochromatickým světelným měřicím paprskem. Světlo odrážené objektem se směšuje (interferuje) s referenčním paprskem odvozeným ze stejného zdroje světla jako měřicí paprsek. Přitom vznikají interferenční čárové obrazce, které jsou detekovány senzorem obrazu a umožňují získat detailní informace o povrchu vyměřované plochy.
Nevýhodou mnohých variant tohoto měřicího postupu jsou zčásti velké náklady na zařízení a velmi dlouhá doba měření. Dalším problémem je skutečnost, že vzniklé interferenční čáry často leží tak blízko sebe, že je obvyklé senzory obrazu nejsou schopny vzájemně rozlišit.
Průlomem v tomto směru je nový měřicí postup TWI (Tilted Wawe Interferometer). Měřený objekt není jako obvykle ozářen jediným paprskem, nýbrž zároveň několika paprsky, které jsou mezi sebou nakloněny o určitý úhel.
Čelní vlny paprsků jsou použity paralelně, tj. ozařují měřený objekt současně. Tak každý bod na měřené ploše vytváří odpovídající čelní vlnu, která odpovídá interpretovatelnému úseku zobrazenému na interferogramu. To dovoluje v principu snímat celou měřenou plochu jen jednou. Dvourozměrná matrice bodových zdrojů vytváří měřicí paprsky, které mají úhly s různými sklony, což umožňuje místně zmenšit hustotu interferenčních čar pro různé oblasti asférického povrchu – tak jsou též obcházeny silné asférické odchylky. A současně je zmenšena velká hustota interferenčních čar pro senzor obrazu. V novém interferometru nejsou nutné žádné mechanické posuvy optických prvků nebo měřeného objektu. To zlepšuje opakovatelnost a přesnost a současně zkracuje dobu měření.
Princip nového interferometru je znázorněn na obr. 1. Záření z helium-neonového laseru je rozděleno polopropustným zrcadlem na měřicí a referenční paprsek.
Do cesty měřicího paprsku je vložen difrakční optický prvek způsobující ohyb optických vln. Skládá se z mikročočkového pole na vstupní straně a pole odpovídajících otvorů na výstupní straně. Tento prvek vytváří dvourozměrnou matrici bodových zdrojů, které jsou základem měřicího paprsku interferometru. Ten je soustředěn čočkou a tvoří sadu čelních vln s různými úhly odklonu. Po odrazu od asférické plochy jsou čelní vlny vedeny další čočkou na senzor obrazu. Třetí čočka soustřeďuje paprsek z druhé cesty interferometru (referenční vlna) na polopropustné zrcadlo a vytváří tak plochou vlnu, která interferuje s měřicím paprskem odraženým od měřené asférické plochy. Tím se zobrazí apertura senzoru obrazu. Apertura interferometru omezuje hustotu interferenčních čar tak, aby byla přiměřená vzhledem k odstupu bodů senzoru obrazu.
V praxi nejsou vždy zapotřebí všechny paprsky současně, zejména proto, že by se mohly vzájemně ovlivňovat a rušit. Nejlépe se osvědčilo měřit např. čtyřikrát po sobě, přičemž při každém měření je zapojen jen každý čtvrtý paprsek. Optickým přepínačem může být pole prvků s kapalnými krystaly.
Měření novým interferometrem trvá v průměru 30 s, zatímco měření staršími měřicími metodami trvala několik minut.
Zatím jediný vývojový prototyp interferometru na principu TWI je instalován v PTB (Physikalich-Technische Bundesanstalt) v Braunschweigu, čímž je přístupný i širší veřejnosti.
Ing. Jan Hájek
Obr. 1. Princip vícepaprskového interferometru TWI