Quando CGH incontra "l'occhio del gatto": un passo fondamentale nell'ispezione di superfici asferiche ad alta precisione

Posizionamento impreciso: una trappola in cui puoi facilmente soffrire in silenzio. Consideriamo uno scenario del mondo reale. Stai ispezionando uno specchio concavo asferico. Il CGH è stato progettato, il percorso ottico è stato impostato e sono apparse le frange di interferenza. In base all'esperienza, si regola leggermente lo specchio; le frange sembrano belle, il valore PV è buono e tiri un sospiro di sollievo. Ma tre mesi dopo, lo specchio viene installato nel sistema e la qualità dell'immagine è inferiore allo standard. Dopo un'indagine, si scopre che il raggio di curvatura differisce dal valore di progetto di oltre dieci micrometri. Dove stava il problema? Durante l'ispezione lo specchio non era nella sua posa teorica. Pensavi di averlo adattato ai "margini ottimali", ma in realtà hai usato la deviazione di posa per compensare l'errore di fabbricazione nel raggio di curvatura: due errori si annullano a vicenda, creando un'illusione auto-coerente ma deviante dalla vera. Ancora più insidioso è che se il raggio di curvatura dello specchio stesso è problematico e non hai controllato con precisione la posa rispetto al valore teorico, i dati della superficie misurata diventano un disastro: è impossibile determinare quanto sia un problema di forma della superficie e quanto sia un problema di posa. Come evitare questa trappola? Uno spioncino. In che modo uno spioncino garantisce la sua posa teorica? In un sistema di ispezione CGH (Concave Aspherical Mirror), il compito principale della struttura dell'occhio di gatto è chiaro: garantire che lo specchio sottoposto a test (DUT) e il CGH mantengano la posa teorica. Qual è la posa teorica? È la relazione spaziale calcolata rigorosamente durante la fase di progettazione: la distanza assiale, l'inclinazione e l'eccentricità sono tutti valori di progettazione chiaramente definiti. L'intero compito di Cat's Eye è garantire che la posa effettiva assemblata corrisponda a questi valori di progettazione. Come funziona in pratica? Analizziamolo utilizzando uno scenario di ispezione comune. Scenario: Il CGH viene ispezionato e presenta un'area olografica di allineamento. La luce proiettata da quest'area, dopo essere stata riflessa dal DUT, forma un'immagine a occhio di gatto, solitamente un punto luminoso chiaro e focalizzato.

Figura 1. Percorso ottico per il rilevamento dell'occhio di gatto

La procedura operativa è la seguente: 1. Regolazione grossolana: montare lo specchio di prova e il CGH in posizione e regolare la distanza assiale, l'inclinazione e l'eccentricità in modo che siano vicini ai valori teorici. 2. Regolazione fine dell'occhio di gatto: osservare l'immagine dell'occhio di gatto proiettata sul display olografico. Man mano che la posizione e la posa dello specchio di prova si avvicinano gradualmente al valore teorico, l'immagine dell'occhio di gatto tenderà verso una forma ottimale preimpostata.

Figura 2. Immagine a occhio di gatto quando la posa è corretta.

Figura 3. Immagine Cat's Eye con posa errata (errore di distanza assiale e inclinazione).

3. Blocco della posizione: una volta che l'immagine a occhio di gatto raggiunge lo standard preimpostato, indica che lo specchio sottoposto a test è nella sua posizione teorica. A questo punto, tutti i meccanismi di regolazione sono bloccati e inizia il rilevamento della forma della superficie. L'occhio del gatto qui agisce essenzialmente come un "indicatore di posizione" altamente sensibile. Ti dice quando la posizione dello specchio è "a posto". I dati sulla forma della superficie misurati dopo il suo posizionamento rappresentano le reali prestazioni dello specchio nella sua posizione teorica. Un caso reale: da dove viene l'aberrazione sferica? La simulazione fornisce la risposta. Ora che il principio è chiaro, diamo un'occhiata a uno scenario ingegneristico reale. In questo caso, molti ingegneri sul campo potrebbero essere in sintonia con il processo di risoluzione dei problemi. C'è una lente asferica e la sua forma superficiale viene prima rilevata utilizzando un profilometro senza contatto DUI. Il profilometro scansiona il contorno dello specchio attraverso una sonda ottica, acquisendo direttamente i dati della topografia superficiale. I risultati misurati vanno bene; la forma della superficie sembra abbastanza pulita.

Figura 4 Risultati del test DUI

La stessa lente è stata nuovamente testata sul sistema di test CGH. L'occhio del gatto era allineato correttamente e la posa era bloccata sul valore teorico. Il risultato è venuto fuori: una grande aberrazione sferica era chiaramente visibile sul viso.

Figura 5 Risultati del test CGH

Sul tavolo c'erano due rapporti. Il DUI ha affermato che la forma della superficie andava bene, mentre il CGH ha affermato che c'era una grande aberrazione sferica. A cosa credere? Per trovare la fonte di questa aberrazione sferica, il raggio di curvatura della lente è stato misurato utilizzando DUI. Un profilometro senza contatto può scansionare direttamente la generatrice per adattarla al raggio di curvatura, senza fare affidamento su un fronte d'onda di riferimento esterno. I risultati della misurazione sono arrivati: il raggio di curvatura misurato differiva dal valore teorico di 112 μm. Successivamente, questo raggio di deviazione della curvatura è stato sostituito nel modello di simulazione ottica del sistema di rilevamento CGH. Dopo che i risultati della simulazione sono stati ottenuti, sono stati confrontati con i dati sulla forma della superficie misurati da CGH: i due corrispondevano molto bene. Questa grande aberrazione sferica era precisamente il comportamento che il raggio di deviazione della curvatura dovrebbe mostrare nella posizione teorica.

Figura 6 Risultati della simulazione

La catena è ora chiusa: Deviazione del raggio di curvatura → L'aberrazione sferica dovrebbe apparire sotto la posa teorica → L'aberrazione sferica misurata CGH corrisponde alla simulazione → La misurazione CGH è quella reale. Perché il DUI non ha mostrato prima un'evidente aberrazione sferica nei risultati della forma della superficie? Perché quando un profilometro senza contatto scansiona una superficie, la corrispondenza tra il sistema di coordinate di misura e il riferimento meccanico dello specchio dipende dalla posizione di bloccaggio. Se lo specchio non è strettamente bloccato nella posizione teorica, la componente della forma della superficie causata dalla deviazione del raggio di curvatura può essere diluita dal cambiamento nella postura di misurazione e ulteriormente attenuata nell'elaborazione dei dati, apparendo infine "non evidente" nel rapporto sulla forma della superficie. Ma la misurazione del raggio di curvatura non mente: il valore del raggio di curvatura misurato dal DUI si discosta dal valore teorico, e questa deviazione, dopo essere stata messa in simulazione, è esattamente uguale all'aberrazione sferica misurata dal CGH. Cosa c'è di così potente nella combinazione CGH + occhio di gatto? Separa l'errore della forma della superficie e l'errore del raggio di curvatura. Con la posa fissa, una deviazione nel raggio di curvatura è un'aberrazione sferica, nessun posto dove nascondersi. Inoltre, questa aberrazione sferica può essere riprodotta mediante simulazione: non appare dal nulla, ma è una manifestazione inevitabile della deviazione del raggio di curvatura nella posizione teorica. Cosa significa questo per gli operatori in prima linea? La garanzia della posa teorica a occhio di gatto apporta cambiamenti tangibili ai test in loco: 

◆ Il possesso è ora basato su prove: la precisione del posizionamento dello specchio non è più giudicata dall'aspetto delle strisce. L'immagine dell'occhio di gatto è uno standard di giudizio quantitativo della posa indipendente dalle strisce. 

◆ I dati sulla forma della superficie sono affidabili: con la posa fissa, la forma della superficie misurata è la vera forma della superficie dello specchio stesso. Se il raggio di curvatura non è corretto, la forma della superficie rifletterà accuratamente lo stato fuori fuoco e non sarà oscurata dalla posa errata.

◆ Riproducibile: lo standard dell'immagine Cat's Eye rimane invariato indipendentemente dall'operatore. La posa modificata da Zhang San e Li Si è la stessa posa. 

◆ Quando i dati provenienti da strumenti diversi sono in conflitto, esiste un modo chiaro per risolvere il problema: CGH ha un occhio di gatto che blocca la posa, misurando la vera forma della superficie sotto la posa teorica. Con altri metodi, se la posa non è strettamente bloccata, i dati "di bell'aspetto" potrebbero non essere corretti: in questo caso, la misurazione separata del raggio di curvatura spesso fornisce la risposta. Infine, nel sistema di test CGH, la compensazione del fronte d'onda è menzionata più frequentemente: garantisce l'accuratezza della forma della superficie. Tuttavia, la compensazione del fronte d'onda si basa sul presupposto che la posizione tra lo specchio testato e il CGH (Curve Front Gauge) sia nello stato teoricamente progettato. L'occhio del gatto funge da "forza stabilizzante" che blocca la posa. Fissando la posa, viene rivelata la vera forma dello specchio. Il raggio di curvatura è corretto o errato. Niente è nascosto. Ed è proprio questo ciò che i test di precisione richiedono maggiormente: l’autenticità.