Схема контроля выпуклых несферических поверхностей вращения второго порядка методом анаберрационных точек

СХЕМА КОНТРОЛЯ ВЫПУКЛЫХ НЕСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА МЕТОДОМ

Зеркальные системы состоят, как правило, из ограниченного числа отражающих поверхностей. Основным коррекционным параметром при этом является коэффициент асферизации поверхностей. Основной проблемой при изготовлении несферических поверхностей является контроль их формы.

Идеальной схемой контроля является схема с использованием анаберрационных точек. Если поверхность имеет идеальную форму, а точечный источник света расположен точно в одном из геометрических фокусов, то лучи, отраженные от поверхности, образуют безаберрационное изображение источника в другом геометрическом фокусе. По величине и знаку деформации волнового фронта можно определить погрешности асферической поверхности, вызвавшие эту деформацию.

Однако обычно один из фокусов труднодоступен, и для реализации контроля требуются дополнительные оптические элементы. Особую сложность представляет контроль выпуклых поверхностей. Лучи, отраженные от выпуклой поверхности, образуют расходящийся пучок, поэтому дополнительный элемент должен быть, по крайней мере, того же размера, что и испытуемая деталь.

Рис. 1. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности гиперболоида

Схемой с использованием анаберрационных точек является схема Хиндла для контроля выпуклой поверхности гиперболоида вращения. Хиндл показал, как посредством отражения от сферы с центром вблизи недоступного фокуса гиперболического зеркала можно реализовать автоколлимационную схему контроля (рис. 1).

Аналогичные схемы существуют для контроля выпуклой поверхности параболоида вращения, выпуклой поверхности эллипсоида вращения, а также для контроля вогнутой поверхности гиперболоида вращения. При контроле эллипсоидов необходимо использовать дополнительный объектив, формирующий пучок, сходящийся в одном из фокусов, а при контроле параболоидов - коллиматор (рис. 2-4).

Недостатком представленных схем является наличие экранирования. Центральная часть испытуемого зеркала остается неисследованной. Чтобы она не была большой, расстояние между зеркалами должно быть значительным, а, значит, и контрольное зеркало должно иметь большой диаметр.

АНАБЕРРАЦИОННЫХ ТОЧЕК Е.В. Ермолаева Научный руководитель - д.т.н., профессор В.А. Зверев

вращения

Рис. 2. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности параболоида

вращения

Рис. 3. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности эллипсоида

вращения

Рис. 4. Автоколлимационная схема контроля вогнутой поверхности гиперболоида

Сферическую поверхность контрольного зеркала необходимо изготовлять с высокой точностью, так как она принимает участие в формировании волнового фронта. Как видно из представленных схем, лучи дважды отражаются от контролируемой поверхности и один раз от контрольного сферического зеркала. Таким образом, точность поверхности контрольного сферического зеркала может быть в два раза ниже заданной точности контролируемой поверхности.

Причиной деформации волнового фронта может быть не только погрешность изготовления контролируемой несферической поверхности, но и погрешность совмещения точечного источника света с одним из геометрических фокусов - расфокусировка. Отделить погрешность изготовления несферической поверхности от погрешности установки практически невозможно. Поэтому предъявляются высокие требования к взаимному положению элементов в контрольной схеме. Таким образом, осуществление этих схем на практике является весьма проблематичным.

Поэтому представляет интерес схема с менисковым компенсатором для контроля выпуклой поверхности гиперболоида вращения. Данная схема представлена на рис. 5.

1

2 3

1 1

вращения

АЧ, Я

Рис. 5. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности гиперболоида

вращения с мениском

Схема представляет собой модификацию схемы Хиндла. На этой схеме в качестве компенсатора применен мениск 2, вогнутая поверхность которого, расположенная непосредственно вблизи поверхности гиперболоида, играет роль вспомогательной сферы, концентричной геометрическому фокусу Г2 контролируемого гиперболоида 1, а радиус кривизны выпуклой поверхности мениска служит коррекционным параметром для исправления сферической аберрации в изображении геометрического фокуса Г], образованного вогнутой поверхностью мениска. Основное преимущество ее в том, что диаметр вспомогательной линзы практически равен диаметру контролируемого зеркала. В схеме полностью отсутствует центральное экранирование.

Схема была предложена профессором Пуряевым для случая мениска с равными радиусами. Подобная схема была также разработана Симпсоном, Оландом и Меккелем.

При произвольной толщине мениска и при равных радиусах кривизны его поверхностей рассматриваемая оптическая система позволяет контролировать форму поверхности гиперболоида вращения при 3 < е < ю.

2

Рис. 6. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности параболоида вращения с мениском (компенсатором): 1 - мениск; 2 - выпуклое параболическое

зеркало

2 1

Рис. 7. Автоколлимационная схема контроля выпуклой поверхности эллипсоида вращения с мениском (компенсатором): 1 - мениск; 2 - выпуклое эллиптическое зеркало

Рис. 8. Автоколлимационная схема контроля вогнутой поверхности гиперболоида вращения с мениском (компенсатором): 1 - мениск; 2 - вогнутое гиперболическое зеркало

В случае неравных радиусов кривизны поверхностей мениска можно контролировать форму поверхности гиперболоида вращения при 1 < е < 3 . Показано, что при этом конструктивные параметры оптической системы зависят от толщины мениска; с ростом толщины мениска плоскость изображения удаляется. Поэтому в области малых эксцентриситетов следует применять мениски с наименьшей толщиной.

Мы расширили область применения схемы контроля с менисковым компенсатором, доказав возможность ее использования для контроля выпуклой поверхности параболоида вращения, выпуклой поверхности эллипсоида вращения, а также для контроля вогнутой поверхности гиперболоида вращения. На рис. 6-8 представлены схемы для контроля формы этих поверхностей.

Заменив мениском контрольное зеркало в схемах, рассмотренных ранее для этих поверхностей, получаем оптические системы, свободные от экранирования, при этом диаметр дополнительного оптического элемента в них не превышает диаметра контролируемой поверхности.

Для данных поверхностей нами получены схемы контроля, диаметр дополнительного оптического элемента в которых практически не превышает диаметра контролируемой несферической поверхности. При этом полностью отсутствует экранирование.

Аберрации, вносимые мениском достаточно малы, чтобы контролировать выпуклые поверхности гиперболоида вращения с высокой точностью. Если требуется более высокая точность, в данную схему можно включить киноформный элемент.