УСТРОЙСТВО ЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С АСФЕРИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ В ОПРАВАХ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована при сборке объективов с асферическими поверхностями.
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 объектива.
Известно устройство, реализующее интерферометрический способ центрировки асферических поверхностей в оправах относительно оси вращения прецизионного станка [см. пат. RU №186481, МПК G01B 11/27, приор. 25.09.2018]. Устройство включает прецизионный токарный станок с размещенным на оси центрировочным патроном, систему голограммный компенсатор - интерферометр с возможностью взаимной юстировки, пятикоординатный стол для юстировки системы голограммный компенсатор - интерферометр, линейные датчики и автоколлиматор.
Устройство работает следующим образом.
1
1
x1
y1
Оптический элемент в оправе с центрируемой асферической поверхностью устанавливают в центрировочный патрон прецизионного токарного станка и предварительно центрируют относительно оси вращения станка известным способом по базам оптического элемента (по тыльной стороне и боковой цилиндрической поверхности) при помощи индикаторов. На расчетном расстоянии от вершины асферической поверхности размещают голограммный компенсатор, связанный с интерферометром, при этом оба расположены на пятикоординатном столе. Голограммный компенсатор юстируют относительно интерферометра 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 относительно центрируемой поверхности оптического элемента до минимизации аберрации типа «кома». Таким образом ось голограммного компенсатора совмещают с осью асферического оптического элемента. Запоминают показания X, Y линейных датчиков и α, α автоколлиматора. Разворачивают шпиндель с патроном на 180 угл. град., повторяют совмещение осей системы интерферометр - голограммный компенсатор и рассчитывают величину линейной и угловой децентрировки системы голограммный компенсатор - интерферометр. Выставляют систему голограммный компенсатор - интерферометр по рассчитанным значениям. После этого оптический элемент с асферической поверхностью юстируют подвижками центрировочного патрона до минимизации аберрации типа «кома».
Данное устройство обладает низкой виброустойчивостью, не имеет возможности центрировки выпуклых асферических поверхностей большого диаметра из-за технологических ограничений в производстве голограммных компенсаторов диаметром более 200 мм.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по достигаемому результату является устройство, реализующее способ определения децентрировки осей асферических поверхностей, взятое нами за прототип [См. А.св. СССР №1688109, МПК G01B 11/27, приор. 27.12.88 г.]. Устройство включает прецизионный токарный станок с центрировочным патроном и двумя неконтактными датчиками относительного угла наклона поверхности, установленными на юстировочных устройствах с возможностью линейной и угловой юстировки, сфокусированными на вершину поверхности и в точку поверхности, имеющую максимальное значения модуля аберраций нормали измеряемой асферической поверхности.
Устройство работает следующим образом. Оптический элемент с асферической поверхностью в оправе устанавливают в центрировочный патрон. Один неконтактный датчик угла наклона устанавливают в районе вершины асферической поверхности. Благодаря тому, что градиент высоты поверхности в районе вершины при малых радиальных смещениях стремится к нулю, на биение показаний датчика при вращении оптического элемента вокруг оси станка влияет только угловая составляющая децентрировки поверхности, которую минимизируют при помощи угловых подвижек центрировочного патрона. Второй датчик угла наклона размещают в точке с максимальным значением модуля аберраций нормали измеряемой асферической поверхности. При вращении вокруг оси станка на показания датчика в этой точке влияет только линейная децентрировка асферической поверхности (при условии, что угловая децентрировка минимизирована по показаниям первого датчика), которую минимизируют при помощи линейных подвижек центрировочного патрона.
Недостатками устройства является ограниченная область применения устройства при наличии в оптическом элементе центрального отверстия (отсутствуют точки на асферической поверхности с нулевым градиентом высоты поверхности), которое имеют большинство зеркал в осесимметричных схемах зеркальных и зеркально-линзовых объективов.
Целью создания предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности определения децентрировки оптических элементов с асферическими поверхностями, расширение номенклатуры центрируемых оптических элементов за счет элементов с центральным отверстием.
Такой технический эффект достигнут, когда в устройстве для центрировки асферических оптических элементов в оправах, включающем прецизионный токарный станок с центрировочным патроном и установленные на юстировочных устройствах с возможностью линейной и угловой юстировки два неконтактных датчика, новым является то, что один из датчиков установлен в точке асферической поверхности с минимальным значением градиента высоты поверхности и выполнен в виде автоколлимационного устройства, фокальная точка которого совмещена с центром кривизны ближайшей сферы поверхности, другой датчик установлен в точке с максимальным значением градиента высоты поверхности и выполнен в виде датчика линейных перемещений, точка фокуса объектива которого совмещена с асферической поверхностью.
На фиг. 1 «а» приведена схема заявленного устройства для центрировки оптических элементов с выпуклыми асферическими поверхностями в оправах, где центрировочный патрон 1, автоколлимационный датчик 2, юстировочное устройство 3 для автоколлимационного датчика, токарный станок 4, датчик 5 линейных перемещений, юстировочное устройство 6 датчика линейных перемещений, центрируемая в оправе деталь 7.
На фиг. 1 «б» приведена схема заявленного устройства для центрировки оптических элементов с вогнутыми асферическими поверхностями в оправах, где центрировочный патрон 1, автоколлимационный датчик 2, юстировочное устройство 3 для автоколлимационного датчика, токарный станок 4, датчик 5 линейных перемещений, юстировочное устройство 6 датчика линейных перемещений, центрируемая в оправе деталь 7.
Т
Д
На фиг. 2 представлена схема устройства, отображающая линейную и угловую децентрировку, где автоколлимационный датчик 2, датчик 5 линейных перемещений, центрируемая в оправе деталь 7, приращение Δ показаний автоколлимационного датчика, приращение Δ показаний датчика линейных перемещений, линейная децентрировка С, угловая децентрировка β, радиус R кривизны поверхности, координата X положения датчика линейных перемещений по оси X.
Устройство работает следующим образом. Оптический элемент 7 в оправе с центрируемой асферической поверхностью устанавливают в центрировочный патрон прецизионного токарного станка и предварительно центрируют относительно оси вращения станка общеизвестным способом по базам оптического элемента (тыльной стороне и боковой цилиндрической поверхности) при помощи индикаторов. Автоколлимационный датчик 2 устанавливают так, что автоколлимационная точка от центральной зоны асферической поверхности совпадает с фокальной точкой выходного объектива датчика. Датчик 5 линейных перемещений устанавливают по нормали к поверхности в точке с координатой X, имеющей максимальное значение градиента высоты поверхности детали 7 (см. фиг. 2).
Запоминают показания автоколлимационного датчика и датчика линейных перемещений при начальном угле поворота шпинделя станка с центрировочным патроном 1. Разворачивают шпиндель с патроном 1 на 180 угл. град, и вычисляют приращения показаний датчиков по координате X
Т
где Δ - приращение показаний автоколлимационного датчика, мм;
Д
Δ - приращение показаний датчика линейных перемещений, мм;
С - линейная децентрировка, мм;
β - угловая децентрировка, угл. град;
R - радиус кривизны, мм;
X - координата положения датчика линейных перемещений по оси X, мм.
Решая систему уравнений относительно С и β, получают значения линейной и угловой децентрировок по оси X
Затем приступают к совмещению оси вращения шпинделя станка с осью асферической поверхности по оси X.
Вначале корректируют угловую децентрировку, наклоняя деталь 7 в центрировочном патроне 1 на угол β вокруг оси Y. Затем корректируют линейную децентрировку, смещая деталь 7 в центрировочном патроне 1 на величину С по оси X с учетом линейного смещения, возникающего при наклоне (если вершина поверхности смещена с оси качания патрона). Точная юстировка производится до минимизации биений автоколлимационного датчика и датчика линейных перемещений.
Эти операции повторяют, изменив начальное положение шпинделя станка с центрировочным патроном на 90 угл. град.
Благодаря использованию датчика линейных перемещений, установленного на краю центрируемой асферической поверхности, обеспечивается высокую чувствительность к угловой и линейной децентрировке. При этом чувствительность к линейной децентрировке растет с увеличением диафрагменного числа асферической поверхности, а чувствительность к угловой децентрировке растет с увеличением светового диаметра асферической поверхности.
Благодаря использованию автоколлимационного датчика, установленного так, что фокальная точка объектива совпадает с центром кривизны центрируемой поверхности, обеспечивается высокая чувствительность к угловой и линейной децентрировке. При этом чувствительность к угловой децентрировке растет с увеличением радиуса кривизны центрируемой поверхности. Получение автоколлимационного изображения от центральной зоны центрируемой поверхности обеспечивает минимальную погрешность измерения децентрировки из-за минимальных аберраций изображения марки.
Пример конкретной реализации.
В нашей организации при практической реализации устройства для центрировки линз и зеркал с асферическими поверхностями в оправах диаметром до 350 мм в качестве автоколлимационного датчика 2 используют трубку Забелина ЮС-13 с чувствительностью к децентрировке 3 мкм, в качестве неконтактного датчика 5 линейных перемещений триангуляционный датчик OD5-25W01 ("Sick", Германия) с чувствительностью к перемещению 1 мкм. Применение триангуляционного датчика линейных перемещений позволяет неконтактно определять линейное перемещение и получить высокую чувствительность к перемещению при малых габаритах.
Устройство базируют на прецизионном токарном станке LZ 360 с радиальным биением 2 мкм, снабженном центрировочным патроном.
Погрешность центрировки асферических элементов в зависимости от относительного отверстия и диаметра составляет: линейная от 3 мкм, угловая от 1 угл. сек.
Для сравнения чувствительности заявляемого устройства и прототипа проведена центрировка асферической поверхности с радиусом кривизны R=430 мм и световым диаметром D=225 мм. Размер пикселя матрицы приемника в прототипе составляет 5 мкм. При наклоне асферической поверхности на β=10 угл. сек. биение центра кривизны поверхности составило 42 мкм при чувствительности в 3 мкм. В прототипе при использовании датчика угла, находящемся на расстоянии от центрируемой поверхности L=100 мм, биение центра кривизны поверхности составило 20 угл. сек. при чувствительности в 5 угл. сек. При линейной децентрировке центрируемой поверхности в С=10 мкм биение на триангуляционном датчике составило 5 мкм при чувствительности в 1 мкм. При использовании датчика угла, находящемся на расстоянии от центрируемой поверхности L=100 мм, биение изображения при децентрировке в 10 мкм составило 9 угл. сек. при чувствительности в 5 угл. сек. Таким образом, центрировка с использованием заявляемого устройств позволила произвести центрировку с погрешностью 4 мкм и 1,4 угл. сек. Тогда как при использовании прототипа погрешность составила 11 мкм и 5 угл. сек.
Заявляемое техническое решение предполагается использовать при создании зеркальных, зеркально-линзовых и линзовых объективов аэрокосмического базирования.