بخشی از مقاله
چکیده
در ساخت سطوح اپتیکی مختلف مانند آینههای تخت، کروی و غیرکروی، به وسیله دستگاه سایش، رصد مقدار ماده برداشته شده از سطح در مرحله سایش و تعیین نرخ سایش بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله ابتدا به طراحی و سپس به ساخت یک نمایهسنج اپتو-مکانیکی میپردازیم. این دستگاه بر پایه فرود و بازتاب نور از آینه متصل شده برروی حسگر آن کار میکند.
توانایی نمایهسنجی در محل ساخت نمونه از ویژگیهای بارز این دستگاه است. نمایهسنج ساخته شده به وسیله یک جابهجاگر پیزوالکتریک درجه بندی شد. برای حرکت حسگر به میزان 380 میکرومتر در راستای عمودی دقت به میزان 30 نانومتر احراز شد. در نهایت شعاع انحنا یک عدسی تخت-محدب به اندازه 163/01 میلیمتر اندازهگیری شد و نمایه هندسی در یک راستای قطری آن به دست آمد.
مقدمه
ساخت سطوح اپتیکی شامل دو مرحله کلی سایش - شکلدهی - و پرداخت - کاهش زبری سطح - است. در مرحله سایش، اندازهگیری مقدار ماده برداشته شده از سطح، تعیین شکل هندسی نمونه و میزان صافی یا شعاع انحنا آن همواره مورد نیاز است. همچنین در مرحله پرداخت، تعیین این مولفهها و رصد ثابت ماندن آنها برای افزایش دقت سطح اپتیکی تولید شده بسیار ضروری است.
با استفاده از قانون پرستون [1] و با اندازهگیری نرخ ماده برداشته شده از سطح میتوان زمان لازم برای رسیدن به شکل دلخواه را تقریب زد و با استفاده از آن تعداد دفعات اندازهگیری و فاصله زمانی بین آنها را تعیین کرد. برای اندازهگیری این کمیتها از دستگاه نمایهسنج استفاده میشود. تاکنون روشهای اپتیکی متعددی جهت نمایهسنجی سطوح اپتیکی به کار گرفته شده است که از آنها میتوان به روش هارتمن، روشهای آزمون به کمک تداخلسنجی و ماره اشاره کرد. بیشتر این روشهای اپتیکی بر پایهی تداخلسنجی هستند.
از این روشها تنها برای نمایهسنجی سطوح صیقلی میتوان استفاده کرد در حالی که ساخت سطوح اپتیکی نیازمند تعیین نمایه هندسی قبل از مرحله پرداخت است. چیدمان این روشها اغلب شامل تعداد زیادی قطعه اپتیکی است که این باعث حساسیت قابلتوجه آنها به اختلالات محیطی میشود. همچنین تعیین جبهه موج مرجع در این چیدمانها باعث ایجاد خطا در اندازهگیری میشود. جدا کردن نمونه از دستگاه برای انجام این اندازهگیریها زمانبر است و میتواند باعث بروز خطاهای ناشی از تنظیم مجدد نمونه بهروی دستگاه شود. استفاده از روشهای اندازهگیری در محل ساخت نمونه به شرط داشتن دقت کافی، میتواند باعث افزایش دقت نهایی سطح به دست آمده شود.
گویسنج یکی از وسیلههایی است که برای سنجش کروی بودن یک سطح مورد استفاده قرار میگیرد ولی از آن نمیتوان برای سطوح غیرکروی یا تخت استفاده کرد. استفاده از میکرومترهای عقربهای به دلیل عدم توانایی ثبت داده برای سنجش شکل هندسی سطوح گزینه خوبی نیست. میکرومترهای دیجیتالی دارای حسگر LVDT، خازنی یا الکترونیکی، قابلیت ثبت داده را دارا هستند.
دقت اندازهگیری این دستگاهها در حدود یک میکرومتر است ولی نمونههای دقیقتر این مدل از حسگر دارای هزینه بالایی است. این مقاله به طراحی و ساخت یک نمایهسنج اپتو-مکانیکی میپردازد. این دستگاه بر پایه فرود و بازتاب نور از آینه متصل شده بر روی حسگر آن عمل میکند و در نهایت تغییر ارتفاع صورت گرفته بهروی حسگر به وسیله آشکارساز ثبت میشود. این نمایهسنج را میتوان بر دستگاه سایش و پرداخت نصب کرد و به وسیله آن کمیتهایی از قبیل مقدار ماده برداشته شده در مرحله سایش، نرخ سایش، شکل هندسی، صافی یا شعاع انحنا را اندازهگیری کرد .[2]
همچنین با قرار دادن این دستگاه بر یک بازوی چرخشی، میتوان از آن برای تعیین نمایه سه بعدی سطوح اپتیکی استفاده کرد .[3] هندسه چیدمان دستگاه نمایهسنج شکل 1 طرحواره هندسی چیدمان نمایهسنج اپتو-مکانیکی را نمایش میدهد. مبدا دستگاه مختصات مرجع بهروی محور دوران نگهدارنده حسگر قرار دادهشده است. نگهدارنده حسگر در نقطه O ثابت شده است و حول این محور میتواند دوران کند. فاصله محور دوران تا محل اتصال حسگر یعنیOE برابر D است. همچنین یک آینه تخت بهروی محور نگهدارنده حسگر قرار داده شده است.
در ابتدا فرض شده که صفحه آینه با محور افقی دستگاه مختصات زاویه 0 میسازد. در حالت دوم نوک حسگر در کمینه حالت خود قرار دارد. در این حالت صفحه آینه با محور افقی دستگاه مختصات زاویه میسازد. امتداد پرتوهای بازتابی از آینه در هر دوحالت در نقطه T همدیگر را قطع میکنند و زاویه با هم میسازند. شکل : 1 طرحواره هندسی چیدمان نمایهسنج اپتو-مکانیکی مکان قرارگیری حسگر نسبت به آشکارساز و زاویه فرود پرتو تابشی θ، مولفههای تعیینکننده اندازه دامنه و دقت حرکتی حس- گر هستند. برای بررسی ارتباط این مولفهها، در ادامه به تشریح روابط هندسی بین این مولفهها پرداخته شده است.
چیدمان دستگاه نمایهسنج
شکل 2 نمایی از چیدمان دستگاه نمایهسنج است. از یک پروفیل آلومینیومی چند شیاره به منظور بدنه اصلی و نگهدارنده تمامی قطعات چیدمان استفاده شده است. این قطعه بروی یک پروفیل آلومینیومی دیگر و به صورت عمود بر آن توسط یک نقاله قرار گرفته است. از یک لیزر دیود با طول موج 532 نانومتر به عنوان چشمه نور و از یک دوربین دیجیتال THORLABS- - - DCC1545M با تعداد پیکسل 1280×1024 و اندازه پیکسل 5/2 میکرومتر، بهعنوان آشکارساز استفاده شده است. یک روزنه به قطر یک میلیمتر برای ایجاد قرص نوری در جلوی لیزر قرار گفته است. همچنین از یک عدسی با فاصله کانونی 150 میلیمتر برای تصویرسازی قرصنوری بر صفحه آشکارساز استفاده شده است.
نحوه درجهبندی دستگاه نمایهسنج
حسگر دستگاه بروی صفحه یک نانوجابهجاگر پیزوالکتریک با دقت 1 نانومتر و بازه حرکتی 50 میکرومتر قرار داده شد. تغییر ارتفاع صفحه پیزوالکتریک، باعث جابجایی تصویر قرص نوری در آشکارساز میشود. با مشخص کردن مرکز قرص نوری میتوان اندازه جابهجایی حسگر در راستای عمود را بر حسب پیکسل بهدست آورد. برای پردازش تصاویر و یافتن مراکز قرصنوری برنامهای در نرمافزار متلب [4] پیادهسازی شد.
در این برنامه، ابتدا شدت تصویر قرص نوری در آشکارساز - شکل 3 - الف - - با یک فیلتر دو بعدی گوسی، در همه نقاط تعدیل میشود و اثر نوفه کاهش مییابد. سپس حد آستانهای بر روی شدت تعریف میشود تا مرزی برای قرصنوری تعیین شود - شکل 3 - ب - - . در انتها تصویر سیاه و سفید از قرص نوری تهیه میشود. شکل - 3ج - نمونهای از تصویر و مرکز جرم تعیین شده را نمایش میدهد.
نگهدارنده حسگر از دو صحفه آلومینیومی روی هم به ضخامت 15 میلیمتر تشکیل شده است. طول صفحه بالایی 60 و صفحه پایینی 120 میلیمتر است. صفحه بالایی کوچکتر است و به بدنه اصلی متصل شده است. این دو صفحه به وسیله دو فنر موازی در یک انتها به همدیگر متصل هستند. از دو گوی فلزی کوچک برای ایجاد حرکت دورانی بین این دو قطعه استفاده شده است. مکان قرارگیری این دو گوی متغیر است و بسته به سختی فنرها برای تعدیل نیروی اعمالی حسگر بر نمونه، تعیین میشود.
در انتهای دیگر صحفه پایینی یک میله نازک به عنوان حسگر قرار دارد که به یک طرف آن گوی فلزی کوچکی متصل است. همچنین یک آینه تخت در بالای حسگر قرار گرفته است. برای جلوگیری از اشباع آشکارساز و تحلیل صحیح تصاویر گرفته شده، از یک فیلتر شدتی در چیدمان استفاده میشود. تغییر مختصه مرکز جرم تمامی عکسها نسبت به مختصه مرکز جرم نقطه اول سنجیده میشود. در هر آزمایش جابهجاگر پیزوالکتریک با گامهای 100 نانومتری و به اندازه 20 میکرومتر در راستای عمود جابهجا شده است.
در نهایت این آزمایش 10 بار تکرار شد. شکل 4 نمودار جابهجایی مرکز جرم قرص نوری برحسب تغییر ارتفاع حسگر دستگاه نمایهسنج براساس میانگینگیری بر روی همه دادهها است. همچنین با توجه به رفتار دادهها، یک تابع بر دادههای شکل 4 برازش شد که تابع پاسخ چیدمان است و در سایر اندازهگیریها از آن استفاده میشود. اختلاف بین دادههای اندازهگیری شده و تابع برازش شده در شکل 5 قابل مشاهده است.
