Контроль качества внеосевой параболы лазерного интерферометра

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВНЕОСЕВОЙ ПАРАБОЛЫ ЛАЗЕРНОГО

ИНТЕРФЕРОМЕТРА Д.Ю. Сачков

В работе предложена схема интерферометрического контроля параболических зеркал, рассмотрены ее особенности, методика юстировки. Приведены результаты контроля внеосевого параболического зеркала, входящего в автоколлимационный блок инфракрасного лазерного интерферометра ИКС-10.

Введение

В современной оптике широкое применение находят элементы с асферическими поверхностями (асферические элементы), используемые для минимизации остаточных аберраций оптической системы. Однако изготовление и контроль качества таких элементов заведомо более трудны, чем в случае использования сферических поверхностей. В статье рассмотрена задача контроля качества параболического зеркала ИК интерферометра, закрепленного в штатной оправе. Данная задача возникла в процессе юстировки интерферометра ИКС-10, в ходе которой параболическое зеркало было повернуто и заново зажато в штатной оправе. Дальнейшие работы по юстировке вызвали подозрения в деформации зеркала при его повторном зажатии. Поэтому было принято решение произвести контроль качества данного зеркала и сравнить результаты с заводскими контрольными интерферограммами, что позволит выявить деформацию зеркала при зажатии в оправе.

Схематическое изображение зеркала приведено на рис.1. Как видно из рисунка, рабочая поверхность зеркала представляет собой внеосевую параболу, а нерабочая -плоскость с зеркальным покрытием. Контроль осуществлялся при помощи неравно-плечного лазерного интерферометра, работающего на длине волны Х=0.63 мкм. Использование видимого диапазона позволило значительно упростить юстировку схемы и сделало возможным наблюдение хода пучков.

Описание схемы

Схема неравноплечного интерферометра показана на рис. 2. В приведенной схеме осуществляется сравнение волнового фронта, отраженного от параболического зеркала, с эталонным волновым фронтом, сформированным вспомогательным сферическим зеркалом. В качестве источника излучения был использован одномодовый Не-Ые лазер. Из гауссова пучка лазера телескопическая система 3 и микрообъектив 6 формируют эталонную сферическую волну, которая при помощи светоделительного кубика 7 разделя-

ется на две и направляется в объектное и эталонное плечи интерферометра. Объектное плечо состоит из исследуемого параболического зеркала 8 и высококачественного плоского зеркала 9. Фокус параболического зеркала совмещен с фокусом микрообъектива, поэтому на участке БВ (рис. 2) пучок лучей параллелен. При помощи автоколлиматора АКУ 0.2 плоское зеркало выставляется параллельно плоской поверхности параболического зеркала (поверхность С на рис.1), что обеспечивает автоколлимационный ход лучей в схеме. Это важно для однозначного определения ошибок поверхности зеркала по форме полос интеферограммы, так как каждый луч отражается от одной и той же точки параболы в прямом и в обратном ходе. Кроме того, при такой схеме засветки контролируемой поверхности в волновой фронт не вносятся полевые аберрации.

Этот факт объясняется следующим образом: фокальная перетяжка за микрообъективом является предметом для параболического зеркала. Парабола не вносит аберраций в изображение точечного предмета, расположенного в ее фокусе. При введении полевого угла (например, при смещении предмета с оси) парабола вносит в волновой фронт аберрации, которые не связаны с регистрируемым качеством поверхности зеркала. Назовем их юстировочными аберрациями, так как в рассматриваемом случае они связаны с ошибкой юстировки элементов. Эти аберрации возрастают при увеличении полевого угла в пространстве предметов, поэтому фокальная перетяжка должна располагаться возможно ближе к оптической оси. Можно рассчитать [1] размер области вблизи фокуса параболы, при расположении предмета внутри которой в волновой фронт (при единичном отражении) не вносятся аберрации, большие 0.1^. Этот размер составляет 380 мкм. Назовем эту область анаберрационной.

Рис. 2. Схема неравноплечного лазерного интерферометра для контроля качества параболического зеркала: 1 - одномодовый гелий-неоновый лазер, 2 - телескопическая система, 3,4 - плоские зеркала, 5 - микрообектив, 6 - светоделительный кубик, 7 - эталонное сферическое зеркало, 8 - контролируемое параболическое зеркало, 9 - контрольное плоское зеркало, 10 - обектив телекамеры, 11 - ПЗС-матрица, 12 - телекамера

Размер фокальной перетяжки микрообъектива составляет

л 2-44 А ,

а =-т ,

2а

где 2а - диаметр апертурной диафрагмы, / - фокусное расстояние объектива. Для используемого микрообъектива эти величины равны 1.5 и 6.2 мм соответственно, что дает размер перетяжки 6.38 мкм.

Как видно, этот размер много меньше размера анаберрационной области, что при совмещении фокуса параболы и микрообъектива позволяет устранить юстировочные аберрации. В этом случае искажения волнового фронта в объектном плече будут вызваны только качеством поверхности параболического зеркала. Помимо устранения ошибок юстировки, необходимо обеспетчить полную засветку поверхности параболы. Это возможно при использовании микрообъектива с большей числовой апертурой, чем у параболы. Ее значение составляет 0.12, а апертура параболы - 0.067.

Эталонное плечо интерферометра образовано высококачественным сферическим зеркалом, центр кривизны которого совмещен с фокусом микрообъектива. В этом случае также отсутствуют юстировочные аберрации, поэтому после отражения от зеркала сферическая волна сохраняет дифракционное качество и может служить референтной для волны из объектного плеча.

В соответствии с вышеизложенным на выходе из плеч интерферометра образуются две сферические волны, которые сводятся светоделительным кубиком и проецируются объективом 10 на ПЗС-матрицу 11, которая регистрирует интерферограмму. Объектив 10 сфокусирован на оправу параболического зеркала. В этом случае на ПЗС-матрице в масштабе воспроизводится волновой фронт вблизи параболы, который и характеризует ошибки ее поверхности. Если объектив сфокусирован неверно, то на ПЗС-матрице воспроизводится уже другой волновой фронт, соответствующий фронту на некотором расстоянии от параболы. А так как распределение фазы по волновому фронту при его распространении в пространстве меняется сложным образом, то этот волновой фронт уже не может быть использван для исследования качества поверхности параболы.

Очень важно сформировать неаберрированную сферическую волну для засветки плеч интерферометра, так как с этим связана его собственная ошибка. Для этого используется микрообъектив 6 с фокусным расстоянием 6.2 мм, рассчитанный на тубус «бесконечность». Этот микрообектив не вносит аберраций в проходящий волновой фронт в том случае, если в пространстве предметов на него падает сферическая волна. В этом случае на выходе микрообъектива волна будет плоской. В нашем случае микрообъектив используется в обратном ходе (для формирования сферической волны) и на входе в него волна должна быть плоской, преобразованной из гауссова пучка. Для этого телескопическая система 3 расширяет лазерный пучок до диаметра 10,5 мм. За счет естественной расходимости на входе в микрообъектив 6 его диаметр составляет уже 11 мм при диаметре апертурной диафрагмы микрообъектива 1.5 мм. Следовательно, из гауссова пучка выделяется центральная часть. Расчет по формулам для поперечного распределения интенсивности и фазы гауссова пучка дает перепад интенсивностей в пределах выделенной области 2% и стрелку прогиба волнового фронта, равную 5-10" мкм (8-10 А). Т .е. в данных пределах гауссов пучок не отличается существенно от плоской волны, что позволяет сформировать сферическую волну дифракционного качества.

Юстировка схемы

Базовой поверхностью при юстировке является поверхность оптического стола. На первом этапе при помощи подвижек лазера и наклонов зеркал 4 и 5 ось пучка выставлялась параллельно базовой плоскости. Следующим этапом явилась юстировка

сферического зеркала. Она производилась методом оценки качества функции рассеяния точки (ФРТ). Для этого вместо камеры 12 ставился измерительный микроскоп, позволяющий наблюдать точку фокусировки волны, возвращающейся от этого зеркала. При дифракционном качестве наблюдаемой точки фокус микрообъектива совмещен с центром кривизны сферического зеркала. Если же фокус не совмещен с центром кривизны, то ФРТ искажена аберрацией комы. Вид ФРТ в этом случае приведен в [2].

При юстировке объектного плеча контролируется параллельность плоской поверхности С параболы и плоскости контрольного зеркала; совпадение точек фокусировки волн, выходящих из плеч интерферометра, а также наблюдается точка фокусировки пучка, выходящего из плеча (оценивается качество ФРТ). Схема отъюстирована правильно, если плоские поверхности параболического и контрольного зеркал параллельны и одновременно достигается максимальное качество ФРТ. При этом точки фокусировки волн, идущих из плеч интерферометра должны находиться рядом. Если это не так, то ход лучей в плечах не автоколлимационный, и какое-то одно (или оба) плечо отъюстировано неверно.

В конце процесса юстировки непараллельность плоских поверхностей параболического и контрольного зеркал составляла 5", что обеспечило автоколлимационный ход лучей в объектном плече (смещение точки фокусировки, выходящей из плеча волны относительно фокуса микрообъектива, составило 3 мкм при размере фокального пятна 6.35 мкм). При наблюдении в микроскоп точки фокусировки волн из обоих плеч интерферометра совпадали. Однако наблюдаемая ФРТ имела недифракционное качество и была искажена аберрациями комы и астигматизма, что может объясняться как ошибками юстировки, так и ошибками поверхности зеркала. Так как качество ФРТ было максимальным, какое удалось получить в ходе юстировки, то мы можем предположить, что недифракционное качество ФРТ вызвано ошибками поверхности параболического зеркала. Далее микроскоп, через который наблюдались изображения фокальных пятен волн из плеч интерферометра, был заменен на камеру 12, которая установлена таким образом, чтобы весь пучок проходил через объектив, который был сфокусирован на оправу параболического зеркала. Увеличение (ZOOM) выбрано таким, чтобы изображение параболы занимало большую часть кадра.

Результаты

Рис. 3. Контрольная интерферограмма, полученная на неравноплечном

лазерном интерферометре

На рис.3 представлена одна из полученных контрольных интерферограмм исследуемого параболического зеркала. Можно заметить, что они имеют два следующих недостатка:

• центральное экранирование, которое вызвано конструкцией объектива камеры 12;

• интерферограмма заполняет не всю поверхность параболичекого зеркала, что вызвано особенностью геометрии схемы. Угол АБВ составляет 5,724°, поэтому при размещении контрольного зеркала 9 его оправа либо частично перекрывает пучок на отрезке АБ, либо неполностью перекрывает пучок от параболического зеркала (рис.4). Это приводит к невозможности контроля некоторой части поверхности зеркала и является главным недостатком приведенной схемы.

Рис. 4. Срезание пучков лучей в объектном плече интерферометра.

Тем не менее, обработка полученных интерферограмм позволила определить искажения волнового фронта, вносимые параболическим зеркалом при единичном отражении от него. Эти данные, а также допуски на них представлены в таблице. Как видно из нее, зеркало удовлетворяет требованиям оптического расчета и правильно установлено в штатной оправе.

Результат обработки полученных интерферограмм Данные изготовителя Допустимые отклонения

PV = 0.17X, RMS = 0.04X PV = 0.224X, RMS = 0.031 X PV = 0.25X, RMS = 0.05X

Таблица. Результаты контроля качества параболического зеркала инфракрасного

интерферометра ИКС-10

Заключение

В данной работе рассмотрен вариант схемы интерферометрического контроля параболического зеркала, установленного в штатной оправе. Особенностями этой схемы являются получение сферической волны из гауссова пучка без применения пространственной фильтрации телескопическими системами и применение методики юстировки по качеству ФРТ. Юстировка по качеству ФРТ является удобным и быстрым способом определения типа и величины аберраций системы. Применение этой методики значительно упрощает юстировку и позволяет приблизительно оценить величину аберраций без получения и обработки интерферограммы. Конечная точность юстировки определя-

ется низкой способностью глаза различать перепады освещенности, что особенно критично для систем с числом Штреля 0.8 и более. В этом случае отличие ФРТ от ФРТ идеальной системы заключается в большей интенсивности колец относительно центрального керна. Зафиксировать это отличие глаз не в состоянии. Это определяет предел возможностей данного метода.

Литература

1. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. / Изд. 2-е, доп. и пер. - Л: Машиностроение, 1969. - 672 с.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. / Пер. с англ.. - М.: Наука, 1970. - 856 с.