ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ В ОПРАВАХ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована при сборке зеркальных и зеркально-линзовых объективов.
При создании относительно малогабаритных зеркальных и зеркально-линзовых объективов (световым диаметром до 500 мм) часто применяют насыпную конструкцию объективов, обладающую положительными свойствами, такими как виброустойчивость, термостабильность. При такой конструкции используют центрировку оптических элементов с асферическими поверхностями в оправах. Центрировка оптических элементов с асферическими поверхностями в оправах требует проточки (реже установки) посадочных поверхностей оправы (боковой цилиндрической поверхности и торцевых плоских поверхностей) соответственно соосно и перпендикулярно оси асферической поверхности. После операции центрировки оправы с асферическими элементами без дополнительной юстировки устанавливаются в единый корпус с проточками под оправы, выполненными с высокой соосностью и высоким допуском на сопрягаемые диаметры.
Центрировка асферических элементов в оправах обычно производится на прецизионных токарных станках. В этом случае задачей центрировки является совмещение оси асферической поверхности с осью вращения станка с последующей проточкой базовых поверхностей оправы (боковой цилиндрической поверхности и торцевых плоских поверхностей) по сопрягаемым поверхностям корпуса.
Известно устройство определения децентрировки осей асферических поверхностей относительно оси вращения [См. А. св. СССР №1688109, МПК G01B 11/27, приор. 27.12.1988]. Устройство включает прецизионный токарныйстанок с центрировочным патроном, имеющим угловые и линейные подвижки, и прецизионный неконтактный датчик угла, установленный в базировочном узле с возможностью линейного перемещения в радиальном и осевом направлении и угловой юстировки по двум ортогональным осям, состоящий из источника излучения, тест-объекта, оптической системы и узла регистрации.
Оптический элемент с асферической поверхностью в оправе закрепляют в центрировочном патроне. Первоначально неконтактный датчик угла устанавливают в районе вершины асферической поверхности. Благодаря тому, что градиент высоты поверхности в районе вершины при малых радиальных смещениях незначителен, на показания датчика при вращении оптического элемента вокруг оси станка в основном влияет угловая составляющая децентрировки поверхности, которую минимизируют при помощи угловых подвижек центрировочного патрона. Затем датчик перемещают в радиальном направлении в точку с максимальным градиентом высоты поверхности. При вращении вокруг оси станка на показания датчика в этой точке (ввиду того, что угловую децентрировку исправили при положении датчика в районе вершины), в основном влияет линейная децентрировка асферической поверхности, которую минимизируют при помощи линейных подвижек центрировочного патрона.
Для поверхностей, имеющих физическую вершину, это устройство не требует точной установки датчика относительно поверхности, а юстировка ведется только по отклонению показаний датчика.
При наличии в оптическом элементе центрального отверстия, которое имеют большинство зеркал в осесимметричных схемах зеркальных и зеркально-линзовых объективов, применение такого устройства приводит к ошибкам при центрировке. В этом случае поверхность не имеет точек с малым градиентом высоты поверхности, и датчик при вращении поверхности вокруг оси станка показывает угол, обусловленный суммарным влиянием линейной и угловой децентрировки поверхности, которые невозможно разделить.
Целью создания предлагаемого устройства является повышение точности центрировки оптических элементов с асферическими поверхностями в оправах и расширение номенклатуры центрируемых оптических элементов.
Поставленная цель достигается тем, что в интерферометрическом устройстве центрировки асферических оптических элементов в оправах, включающем прецизионный токарный станок с размещенным на оси центрировочным патроном с угловыми и линейными подвижками и прецизионный неконтактный датчик децентрировки, установленный в базировочном устройстве с возможностью линейного перемещения в радиальном и осевом направлениях и угловой юстировки по двум ортогональным осям, новым является то, что неконтактный датчик децентрировки выполнен в виде установленной в базировочном устройстве системы голограммный компенсатор-интерферометр с возможностью взаимной юстировки, базировочное устройство выполнено в виде пятикоординатного юстировочного стола с возможностью независимых трех линейных и двух угловых перемещений относительно оси станка, причем оси угловых подвижек расположены в плоскости голограммного компенсатора и проходят через его центр, при этом система голограммный компенсатор-интерферометр дополнительно снабжена двухкоординатным автоколлимационным датчиком угловых перемещений с автоколлимационным зеркалом и автоколлиматором и датчиками радиальных линейных перемещений, расположенными ортогонально друг другу в плоскости голограммного компенсатора.
На фиг. 1 приведена схема интерферометрического устройства центрировки оптических элементов с асферическими поверхностями в оправах, где станок 1, центрировочный патрон 2, прецизионный неконтактный датчик 3 децентрировки, голограммный компенсатор 4, интерферометр 5, пятикоординатный стол 6, датчики 7 линейных перемещений, датчик 8 угловых перемещений, оптический элемент 9 с асферической поверхностью, оправа 10.
1
1
х1
y1
Предложенное устройство работает следующим образом. Оптический элемент 9 в оправе 10 с центрируемой асферической поверхностью устанавливают в центрировочный патрон 2 прецизионного токарного станка 1 и предварительно центрируют относительно оси вращения станка общеизвестным способом по базам оптического элемента (тыльной стороне и боковой цилиндрической поверхности) при помощи индикаторов. На расчетном расстоянии от вершины асферической поверхности размещают голограммный компенсатор 4, связанный с интерферометром 5, при этом оба они расположены на пятикоординатном столе 6. Голограммный компенсатор 4 юстируют относительно интерферометра 5 по юстировочной голограмме, совмещают фокальную точку объектива интерферометра с автоколлимационной точкой асферической поверхности (с учетом оптической силы голограммного компенсатора). Затем систему голограммный компенсатор-интерферометр юстируют подвижками стола 6 относительно центрируемой поверхности оптического элемента 9 до минимизации аберрации типа «кома». Таким образом, ось голограммного компенсатора 4 совмещают с осью асферического оптического элемента 9. (Подходы к решению задачи известны, см., например, Пат. РФ №2658106). Запоминают показания линейных Х Y и угловых αα датчиков 7 и 8.
Совмещение оси асферического элемента 9 с осью вращения станка 1 производят следующим образом.
2
2
x2
у2
1
2
1
2
x1
x2
y1
y2
2
2
x2
y2
Шпиндель станка поворачивают на 180 угл. град, и в этом положении ось системы голограммный элемент - интерферометр совмещают с осью асферического элемента 9 по изложенному выше методу. Запоминают показания датчиков 7 линейных перемещений Х, Y и датчика 8 угловых перемещений α, α. Затем систему голограммный компенсатор 5-интерферометр 6 линейными и угловыми подвижками пятикоординатного стола 7 смещают на (X-Х)/2, (Y-Y)/2, (α-α)/2, (α-α)/2 относительно координат Х, Y, α, α. После этого оптический элемент с асферической поверхностью 9 юстируют подвижками центрировочного патрона 2 до минимизации аберрации типа «кома».
3
3
В реальной конструкции обеспечить совмещение в пространстве осей угловых подвижек пятикоординатного стола 6 с плоскостью голограммного компенсатора 4 с высокой точностью сложно, в результате чего угловое смещение системы голограммный элемент-интерферометр приводит к ее линейному смещению и, следовательно, приводит к ошибке определения линейной децентрировки. Эту ошибку исключают, развернув шпиндель станка на 180 угл. град, и минимизируя аберрации типа «кома» линейными подвижками стола. Полученные значения линейных координат Х и Y запоминают. Линейными подвижками пятикоординатного стола 6 смещают стол на
2
3
[(X,+Х)/2-Х]/2,
2
3
[(Y,+Y)/2- Y]/2.
После чего линейными подвижками центрировочного патрона 2 смещают оптический элемент 9 до минимизации аберрации типа «кома».
На этом совмещение осей станка 1 и оптического элемента 9 завершают, и протачивают базовые поверхности оправы 10 (цилиндрическую боковую поверхность и плоские торцевые поверхности) по предварительно измеренным посадочным диаметрам с учетом предварительно измеренного расстояниями между посадочными буртиками корпуса объектива.
Для центрировки асферической поверхности относительно оси вращения станка используется штатный голограммный компенсатор, используемый для контроля формы асферической поверхности, поэтому применение устройства не требует значительных затрат.
Чувствительность интерференционного устройства значительно выше, чем у устройств, работающих на других принципах, особенно при определении линейной децентрировки.
Устройство расширяет номенклатуру центрируемых оптических элементов, благодаря тому, что интерферометрический принцип юстировки позволяет разделить угловую и линейную децентрировки вне зависимости от формы оптических элементов и наличия центрального отверстия.
Устройство позволяет центрировать в оправе линзы и зеркала с асферическими поверхностями с погрешностью, не превышающей расчетные допуски.
Пример конкретного выполнения.
В качестве примера (см. фиг. 1) приведена работа устройства при совмещении положения оси вогнутого гиперболического асферического зеркала 9 с осью вращения станка 1.
В устройстве использован прецизионный токарный станок 1 LZ 360 производства Германии, снабженный центрировочным патроном 2 собственной разработки, фазовый интерферометр 5 фирмы Fisba, Швейцария, с эталонным объективом с относительным отверстием 1:1, голограммный компенсатор 4 изготовления фирмы «Дифракция», г. Новосибирск.
Для измерения линейного рассогласования осей используются датчики линейных перемещений 7 фирмы Митутойо (Япония), для измерения угловых рассогласований используется автоколлимационный датчик угловых перемещений 8 на базе автоколлиматора АК-0,5 (Россия, Новосибирск).
Ниже в качестве примера приведен расчет погрешности определения линейной и угловой децентрировки для предлагаемого устройства.
м
м
Рассчитываем погрешность центрировки оптического элемента с асферической поверхностью с учетом радиального биения Δ=2 мкм и углового биения δ=2 угл. сек. прецизионного станка.
0
п
п
У вогнутой асферической поверхности (световой диаметр D=0,226 м, радиус вершинной сферы R=0,238 м) с уравнением поверхности высокого порядка погрешность совмещения осей зеркала и системы голограммный компенсатор - интерферометр по одной координате составляет Δ=1,13 мкм и δ=0,85 угл. сек. при использовании фазового интерферометра с критерием центрировки в виде значения коэффициентов комы С≤0,1λ, (расчет осуществлен с применением программы для оптических расчетов Zemax).
При расчете погрешности центрировки оптического элемента с асферической поверхностью относительно оси станка суммируются погрешности совмещения осей зеркала и системы голограммный компенсатор-интерферометр по взаимо перпендикулярным направлениям X и Y при двух измерениях, проведенных до и после разворота шпинделя станка на 180 угл. град, и угловое и линейное биение станка
Δ=
Это лучше расчетных значений допусков: 10 мкм и 15 угл. сек.
Заявляемое техническое решение предполагается использовать при создании зеркальных и зеркально-линзовых объективов аэрокосмического базирования.