Введение

Оптическая плоскость – это кусок оптического стекла, шлифованный и полированный до чрезвычайно высокой плоскостности с одной или обеих сторон, обычно с точностью до нескольких десятков нанометров (миллиардных долей метра). Они используются с монохроматическим светом для определения плоскостности (точности поверхности) других поверхностей (оптических, металлических, керамических или иных) посредством волновой интерференции. Когда оптическая плоскость помещается на другую поверхность и освещается, световые волны отражаются как от нижней поверхности плоскости, так и от поверхности, на которой она лежит. Это вызывает явление, аналогичное интерференции в тонких пленках. Отраженные волны интерферируют, создавая интерференционную картину, видимую в виде светлых и темных полос. Расстояние между полосами уменьшается в тех местах, где зазор изменяется более резко, что указывает на отклонение от плоскостности одной из двух поверхностей. Это сопоставимо с линиями уровня на карте. Плоская поверхность характеризуется узором прямых, параллельных полос с одинаковым расстоянием между ними, в то время как другие узоры свидетельствуют о неровностях поверхности. Две соседние полосы соответствуют разнице высот, равной половине длины волны используемого света, поэтому, подсчитывая полосы, можно измерить различия высот поверхности с точностью до одного микрометра и даже выше. Как правило, плоскостностью с заданной точностью обладает только одна из двух поверхностей оптической плоскости, и эта поверхность обозначена стрелкой на краю стекла. Оптические плоскости иногда покрывают оптическим покрытием и используют в качестве прецизионных зеркал или оптических окон для специальных целей, например, в интерферометре Фабри-Перо или резонаторе лазера. Оптические плоскости также находят применение в спектрофотометрии.

Испытание плоскости

Обычно оптическая плоскость помещается на испытываемую плоскую поверхность. Если поверхность достаточно чистая и отражающая, при освещении белым светом образуются разноцветные интерференционные полосы. Однако, если для освещения детали используется монохромный свет, например, гелиевый, натриевый низкого давления или лазер, то формируется серия темных и светлых интерференционных полос. Эти интерференционные полосы определяют плоскостность детали относительно оптической плоскости с точностью до доли длины волны света. Если обе поверхности идеально плоские и параллельны друг другу, интерференционные полосы не образуются. Однако, обычно между поверхностями остается некоторое количество воздуха. Если поверхности плоские, но между ними есть небольшой воздушный клин, то образуются прямые, параллельные интерференционные полосы, указывающие на угол клина (то есть: более частые и тонкие полосы указывают на более крутой клин, а более редкие и широкие – на менее крутой). Форма полос также отражает форму испытываемой поверхности: изгиб, контур или кольцеобразные полосы указывают на возвышенности и впадины на поверхности, такие как округлые края, выпуклости или углубления, а также выпуклые и вогнутые участки.

Подготовка

Как оптическая плоскость, так и испытываемая поверхность должны быть абсолютно чистыми. Даже малейшая пылинка, попавшая между поверхностями, может испортить результаты. Даже толщина полосы или отпечаток пальца на поверхностях может быть достаточной, чтобы изменить зазор между ними. Перед испытанием поверхности обычно очищаются очень тщательно. Чаще всего в качестве чистящего средства используют ацетон, поскольку он растворяет большинство масел и полностью испаряется, не оставляя следов. Обычно поверхность очищают методом "протяжки", при котором безворсовую, нецарапающую ткань смачивают, натягивают и протягивают по поверхности, удаляя любые загрязнения. Эту процедуру обычно повторяют десятки раз, чтобы гарантировать полную чистоту поверхности. Каждый раз необходимо использовать новую ткань, чтобы предотвратить повторное загрязнение поверхностей ранее удалённой пылью и маслами. Испытания часто проводят в чистой комнате или другом помещении, свободном от пыли, чтобы предотвратить оседание пыли на поверхности между очисткой и сборкой. Иногда поверхности собирают, скользя ими друг по другу, что помогает удалить пыль, случайно попавшую на плоскость. Испытания обычно проводят в условиях контролируемой температуры, чтобы избежать искажений стекла, и требуют выполнения на очень устойчивой рабочей поверхности. После испытания плоскости обычно очищают повторно и хранят в защитном футляре, часто в условиях контролируемой температуры до следующего использования.

Освещение

Для получения наилучших результатов испытаний, для освещения плоскостей используется монохромный свет, состоящий только из одной длины волны. Для правильного отображения интерференционных полос при настройке источника света необходимо учитывать несколько факторов, таких как угол падения света относительно наблюдателя, угловой размер источника света по отношению к зрачку глаза и однородность источника света при отражении от стекла. Можно использовать множество источников монохромного света. Большинство лазеров излучают свет с очень узкой полосой пропускания и часто обеспечивают подходящий источник света. Гелий-неоновый лазер излучает свет на длине волны 632 нанометра (красный), в то время как Nd:YAG лазер с удвоенной частотой излучает свет на 532 нм (зеленый). Различные лазерные диоды и твердотельные лазеры с диодной накачкой излучают свет красного, желтого, зеленого, синего или фиолетового цвета. Лазеры на красителях могут быть настроены на излучение практически любого цвета. Однако лазеры также подвержены явлению, называемому лазерным зерном, которое проявляется в интерференционных полосах. Также можно использовать несколько газоразрядных или металл-паровых ламп. При работе при низком давлении и токе эти лампы обычно производят свет в виде отдельных спектральных линий, при этом одна или две линии являются наиболее интенсивными. Поскольку эти линии очень узкие, лампы можно комбинировать с фильтрами узкой полосы пропускания для выделения наиболее сильной линии. Гелиевая лампа излучает линию на 587,6 нм (желтый), а ртутная лампа – линию на 546,1 нм (желтовато-зеленый). Пары кадмия излучают линию на 643,8 нм (красный), а натрий при низком давлении – линию на 589,3 нм (желтый). Из всех источников света, натриевые лампы при низком давлении – единственные, которые излучают одну линию, не требуя фильтра. Интерференционные полосы проявляются только в отражении источника света, поэтому оптическую плоскость необходимо рассматривать под тем же углом падения, под которым на нее падает свет. Если наблюдение ведется под углом 0 градусов (сверху), то и свет должен падать под углом 0 градусов. При изменении угла обзора необходимо изменять и угол освещения. Свет должен быть расположен таким образом, чтобы его отражение было видно на всей поверхности плоскости. Кроме того, угловой размер источника света должен быть во много раз больше, чем угловой размер зрачка глаза. Например, если используется лампа накаливания, интерференционные полосы могут быть видны только в отражении от нити накаливания. Приближая лампу к плоскости, увеличивается ее угловой размер, и нить накаливания может казаться покрывающей всю плоскость, обеспечивая более четкие показания. Иногда может использоваться рассеиватель, например, порошковое покрытие внутри матовых ламп, для обеспечения однородного отражения от стекла. Как правило, измерения будут более точными, когда источник света находится как можно ближе к плоскости, а глаз – как можно дальше от нее.

Как образуются интерференционные границы

На диаграмме показана оптическая плоскость, опирающаяся на испытываемую поверхность. Если две поверхности не являются идеально плоскими, между ними будет небольшой зазор (показано), который будет изменяться в зависимости от профиля поверхности. Монохромный свет (красный) проходит сквозь стеклянную плоскость и отражается как от нижней поверхности оптической плоскости, так и от верхней поверхности испытываемого образца, и два отраженных луча объединяются и интерферируют. Однако луч, отражающийся от нижней поверхности, проходит более длинный путь. Дополнительная длина пути равна удвоенному зазору между поверхностями. Кроме того, луч, отражающийся от нижней поверхности, испытывает фазовый сдвиг в 180°, в то время как внутреннее отражение другого луча от нижней стороны оптической плоскости не вызывает фазового сдвига. Яркость отраженного света зависит от разности хода двух лучей: если зазор между поверхностями непостоянен, эта интерференция приводит к появлению на поверхности светлых и темных линий или полос, называемых "интерференционными полосами". Они аналогичны линиям уровня на картах, показывающим разницу высот испытываемой поверхности. Зазор между поверхностями постоянен вдоль одной интерференционной полосы. Разность хода между двумя соседними светлыми или темными полосами равна одной длине волны света, следовательно, разница в зазоре между поверхностями равна половине длины волны. Поскольку длина волны света очень мала, эта техника позволяет измерять очень небольшие отклонения от плоскостности. Например, длина волны красного света составляет около 700 нм, поэтому разница в высоте между двумя полосами равна половине этого значения, то есть 350 нм, что примерно в 1/100 раза меньше диаметра человеческого волоса.

Точность и ошибки

Вопреки интуиции, интерференционные полосы не существуют в зазоре или самой плоскости. Интерференционные полосы фактически формируются, когда все световые волны сходятся в глазу или камере, формируя изображение. Поскольку изображение является результатом интерференции всех сходящихся волновых фронтов, плоскостность проверяемой детали может быть измерена только относительно плоскостности оптической плоскости. Любые отклонения на оптической плоскости добавляются к отклонениям на поверхности испытания. Следовательно, поверхность, отполированная до плоскостности λ/4, не может быть эффективно протестирована с помощью оптической плоскости λ/4, поскольку невозможно определить, где находятся ошибки, но ее профиль может быть выявлен при тестировании с более точными поверхностями, такими как оптические плоскости λ/20 или λ/50. Это также означает, что на точность результатов влияет как освещение, так и угол обзора. При освещении или наблюдении под углом, расстояние, которое свет должен пройти через зазор, больше, чем при прямом освещении и наблюдении. Таким образом, по мере увеличения угла падения, полосы также будут перемещаться и изменяться. Угол падения, равный нулю, обычно является наиболее предпочтительным углом как для освещения, так и для наблюдения. К сожалению, добиться этого обычно невозможно невооруженным глазом. Многие интерферометры используют делители луча для получения такого угла. Поскольку результаты относительны к длине волны света, точность можно повысить, используя свет с более короткой длиной волны, хотя линия 632 нм от гелиево-неонового лазера часто используется в качестве стандарта. Ни одна поверхность не является идеально плоской. Следовательно, любые ошибки или неровности, существующие на оптической плоскости, повлияют на результаты испытания. Оптические плоскости чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры, которые могут вызывать временные отклонения поверхности из-за неравномерного теплового расширения. Стекло часто обладает низкой теплопроводностью, требуя длительного времени для достижения теплового равновесия. Даже простое прикосновение к плоскости может передать достаточно тепла, чтобы исказить результаты, поэтому используются такие стекла, как кварцевое стекло или боросиликатное стекло, которые имеют очень низкий коэффициент теплового расширения. Стекло должно быть твердым и очень стабильным, и обычно оно достаточно толстое, чтобы предотвратить прогиб. При измерениях в нанометровом масштабе даже небольшое давление может вызвать прогиб стекла, достаточный для искажения результатов. Поэтому также необходима очень плоская и стабильная рабочая поверхность, на которой можно проводить испытание, предотвращая провисание как оптической плоскости, так и проверяемой детали под их совместным весом. Часто в качестве рабочей поверхности используется прецизионная шлифованная плита, обеспечивающая устойчивую поверхность для проведения испытаний. Для получения еще более плоской поверхности иногда испытание может проводиться на другой оптической плоскости, при этом проверяемая поверхность помещается между ними.

Абсолютная плоскость

Абсолютная плоскостность – это плоскостность объекта, измеряемая относительно абсолютной шкалы, в которой эталонная плоскость (стандарт) полностью лишена неровностей. Плоскостность любой оптической плоскости определяется плоскостностью исходного стандарта, использованного для её калибровки. Следовательно, поскольку обе поверхности имеют определенные неровности, существует немного способов узнать истинную абсолютную плоскостность любой оптической плоскости. Единственная поверхность, способная достичь почти абсолютной плоскостности, – это жидкая поверхность, например, ртуть, которая иногда может показывать плоскостность в пределах λ/100, что соответствует отклонению всего в 6,32 нм (632 нм/100). Однако, жидкие плоскости очень сложны в использовании и правильной настройке, поэтому их обычно применяют только при подготовке эталонной плоскости для калибровки других плоскостей. Другой метод определения абсолютной плоскостности – это "тест с тремя плоскостями". В этом тесте три плоскости одинакового размера и формы испытываются по отношению друг к другу. Анализируя полученные интерференционные картины и их различные фазовые сдвиги, можно экстраполировать абсолютный профиль каждой поверхности. Обычно для этого требуется не менее двенадцати отдельных тестов, при которых каждая плоскость проверяется относительно каждой другой, как минимум в двух различных ориентациях. Для минимизации ошибок, плоскости иногда испытывают, опирая их на ребро, а не кладя плашмя, что помогает предотвратить прогиб.

Скручивание

Скручивание происходит, когда почти весь воздух вытесняется из-зазора между поверхностями, заставляя их плотно прилегать друг к другу, отчасти благодаря вакууму, образующемуся между ними. Чем более плоскими являются поверхности, тем лучше они будут скручиваться, особенно если плоскостность распространяется до самих краев. Если две поверхности очень плоские, они могут скрутиться настолько сильно, что для их разделения потребуется значительное усилие. Интерференционные полосы обычно появляются только тогда, когда оптическая плоскость начинает скручиваться с испытываемой поверхностью. Если поверхности чистые и очень плоские, они начнут скручиваться почти сразу после первого контакта. После начала скручивания, по мере того как воздух медленно вытесняется из-зазора между поверхностями, формируется оптический клин. Интерференционные полосы образуются перпендикулярно этому клину. По мере вытеснения воздуха полосы будут смещаться к области наибольшего зазора, расширяясь и становясь шире, но их количество уменьшается. По мере вытеснения воздуха вакуум, удерживающий поверхности вместе, усиливается. Обычно не следует допускать полного скручивания оптической плоскости с поверхностью, иначе при их разделении она может быть поцарапана или даже сломана. В некоторых случаях, если оставить их на несколько часов, может потребоваться деревянный брусок, чтобы разъединить их. Проверка плоскостности с помощью оптической плоскости обычно выполняется сразу после появления чёткого интерференционного рисунка, после чего поверхности разделяют до того, как они полностью скрутятся. Поскольку угол клина чрезвычайно мал, а зазор чрезвычайно тонок, скручивание может занять несколько часов. Перемещение плоскости относительно поверхности может ускорить скручивание, но попытки вытеснить воздух силой малоэффективны. Если поверхности недостаточно плоские, если на них есть масляные плёнки или загрязнения, или если между поверхностями попадают даже небольшие частицы пыли, скручивание может не произойти вовсе. Поэтому поверхности должны быть идеально чистыми и свободными от мусора для получения точных измерений.

Определение формы поверхности

Полосы очень похожи на линии на топографической карте, где они всегда перпендикулярны к клину между поверхностями. Когда начинается прижим, в воздушном клине образуется большой угол, и полосы будут напоминать линии топографической сетки. Если полосы прямые, то поверхность плоская. Если позволить поверхностям полностью прижаться и стать параллельными, прямые полосы расширятся, пока не останется только темная полоса, и они полностью исчезнут. Если поверхность не плоская, линии сетки будут иметь некоторые изгибы, указывающие на топографию поверхности. Прямые полосы с изгибами могут указывать на возвышение или углубление. Прямые полосы с "V"-образной формой в середине указывают на гребень или долину, проходящую через центр, в то время как прямые полосы с кривыми вблизи концов указывают на края, которые либо округлены, либо имеют приподнятый край. Если поверхности не полностью плоские, по мере прижима полосы будут расширяться и продолжать изгибаться. Когда они полностью прижаты, они будут напоминать контурные топографические линии, указывающие на отклонения на поверхности. Закругленные полосы указывают на пологие или слегка цилиндрические поверхности, в то время как острые углы в полосах указывают на острые углы на поверхности. Небольшие круглые пятна могут указывать на выпуклости или углубления, в то время как концентрические круги указывают на коническую форму. Неравномерно расположенные концентрические круги указывают на выпуклую или вогнутую поверхность. Перед тем, как поверхности полностью прижмутся, эти полосы будут искажены из-за дополнительного угла воздушного клина, изменяя контуры по мере медленного вытеснения воздуха. Одна темная полоса имеет одинаковую толщину, следуя линии, проходящей по всей длине полосы. Смежная светлая полоса будет указывать на толщину, которая либо на 1/2 длины волны меньше, либо на 1/2 длины волны больше. Чем тоньше и ближе полосы, тем круче склон, а более широкие полосы, расположенные дальше друг от друга, показывают более пологий склон. К сожалению, невозможно определить, указывают ли полосы на подъем или спуск, основываясь только на одном взгляде на них, поскольку смежные полосы могут идти в любом направлении. Кольцо концентрических кругов может указывать на то, что поверхность либо вогнутая, либо выпуклая, что является эффектом, подобным иллюзии вогнутой маски. Существует три способа проверить поверхность на форму, но наиболее распространенным является "тест давления пальцем". В этом тесте к плоскости прикладывается небольшое давление, чтобы увидеть, в каком направлении движутся полосы. Полосы будут удаляться от узкого конца клина. Если испытываемая поверхность вогнутая, при нажатии на центр колец плоскость немного изогнется, и будет казаться, что полосы движутся внутрь. Однако, если поверхность выпуклая, плоскость будет соприкасаться с поверхностью в этой точке, поэтому ей некуда изгибаться. Таким образом, полосы останутся неподвижными, лишь немного расширяясь. Если давление приложить к краю плоскости, происходит нечто подобное. Если поверхность выпуклая, плоскость немного качнется, в результате чего полосы будут двигаться к пальцу. Однако, если поверхность вогнутая, плоскость немного изогнется, и полосы будут удаляться от пальца к центру. Хотя это называется "тестом давления пальцем", часто используется деревянная палочка или другой инструмент, чтобы избежать нагрева стекла (при этом простой вес зубочистки часто является достаточным давлением). Другой метод заключается в том, чтобы подвергнуть плоскость воздействию белого света, позволяя образоваться радужным полосам, а затем нажать в центре. Если поверхность вогнутая, по краю будет точечный контакт, и внешняя полоса станет темной. Если поверхность выпуклая, в центре будет точечный контакт, и центральная полоса станет темной. Подобно цветам закалки стали, полосы будут слегка коричневатыми на узкой стороне полосы и синими на более широкой стороне, поэтому, если поверхность вогнутая, синий цвет будет внутри колец, а если выпуклая – снаружи. Третий метод включает в себя перемещение глаза относительно плоскости. При перемещении глаза с нулевого угла падения на наклонный угол, полосы будут казаться движущимися. Если испытываемая поверхность вогнутая, полосы будут казаться движущимися к центру. Если поверхность выпуклая, полосы будут удаляться от центра. Чтобы получить действительно точное измерение поверхности, тест обычно следует проводить как минимум в двух разных направлениях. Поскольку линии сетки представляют собой лишь часть сетки, долина, проходящая по поверхности, может отображаться лишь как небольшой изгиб в полосе, если она проходит параллельно долине. Однако, если оптическую плоскость повернуть на 90 градусов и повторить тест, полосы будут проходить перпендикулярно долине, и она будет отображаться в виде ряда V- или U-образных контуров в полосах. Проводя тестирование в более чем одной ориентации, можно получить более точную карту поверхности.

Долгосрочная стабильность

При разумном уходе и использовании оптические плоскости должны сохранять плоскостность в течение длительного времени. Поэтому для их изготовления часто используют твердые стекла с низким коэффициентом теплового расширения, такие как кварцевое стекло. Однако, несколько лабораторных измерений кварцевых оптических плоскостей при комнатной температуре показали движение, соответствующее вязкости материала порядка 10¹⁷–10¹⁸ Па·с. Это соответствует отклонению в несколько нанометров в течение десятилетия. Поскольку плоскостность оптической плоскости определяется относительно плоскостности исходной эталонной плоскости, истинную (абсолютную) плоскостность на момент изготовления можно определить только путем проведения интерферометрического теста с использованием жидкой плоскости или выполнением "трехплоскостного теста", при котором интерференционные картины, полученные от трех плоскостей, анализируются с помощью компьютера. Несколько проведенных тестов показали, что иногда на поверхности кварцевого стекла возникает отклонение. Однако результаты тестов указывают на то, что деформация может быть спорадической: некоторые плоскости деформируются в течение тестового периода, некоторые деформируются частично, а другие остаются неизменными. Причина деформации неизвестна и никогда не будет заметна человеческому глазу в течение жизни. (Плоскость λ/4 имеет нормальное отклонение поверхности 158 нанометров, а плоскость λ/20 – более 30 нм.) Эта деформация наблюдалась только в кварцевом стекле, в то время как в содовом известковом стекле вязкость остается на уровне 10⁴¹ Па·с, что на много порядков выше.