СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЦЕНТРИРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ АСФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR MEASURING THE DECENTERING OF THE OPTICAL AXIS OF AN ASPHERICAL SURFACE

Изобретение относится к технике формообразования асферических поверхностей оптических деталей, измерений соосности и центрировки оптических деталей и устранения имеющейся децентрировки в процессе формообразования и может использоваться при формообразовании осевых и внеосевых высокоточных асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей, в частности зеркал телескопов.
Известен способ формообразования поверхностей крупногабаритных оптических деталей малым инструментом, при котором строят топографическую карту отклонений обрабатываемой поверхности от ближайшей поверхности сравнения, перемещают инструмент по заданной траектории, учитывая время его пребывания на каждом участке поверхности при заданном технологическом коэффициенте k (SU №1650395, опубл. 23.05.1991 г.). При формообразовании оптических деталей с асферическими поверхностями выполняют центрировку детали, чтобы оптическая вершина асферической поверхности была совмещена с механическим центром для осевой детали. Смещение оптической оси относительной механического центра невозможно точно определить с использованием механических параметров заготовки, особенно для крупногабаритных зеркал телескопов, поскольку разнотолщинность заготовки, наклоны образующей поверхности детали и смещение самой асферической поверхности относительно геометрического центра не позволяют достоверно определить данное смещение и, тем самым, выполнить формообразование поверхности с целью устранения данного смещения. Поэтому для выполнения такого формообразования требуется точный метод определения децентрировки поверхности.
Известен оптический автоколлимационный способ измерения децентрировки оптических одиночных и склеенных линз в оправах (Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. "Оптические измерения: учебник для вузов", М., "Машиностроение", 1987 г., стр. 94), который можно адаптировать и к измерению децентрировок асферической поверхности зеркала. Способ основан на использовании приборов, построенных по схеме автоколлимационной трубки А.А. Забелина. Объектив прибора формирует изображение прозрачного перекрестия в плоскости, где расположен центр кривизны верхней поверхности измеряемой линзы. При вращении линзы, если она децентрирована, автоколлимационное изображение центра перекрестия на измеряемой сетке опишет окружность с определенным радиусом «у». По этому смещению «у» судят о децентрировке линзы. Но в этом случае оптическая система (вращающийся стол - оправа зеркала - зеркало - корректор асферического волнового фронта - вспомогательная оптика) должна не иметь биений и наклонов и собственных смещений элементов с оптической оси, что невозможно реализовать на практике для крупногабаритных астрономических зеркал.
Известен также механический метод измерения децентрировки асферических поверхностей (RU 2534815. Опубл. 10.12.2014). В способе измерения децентрировки оптической оси асферической поверхности оптической детали путем съема контактным индикаторным прибором геометрических характеристик поверхности по ее краю по нескольким диаметральным сечениям, в качестве прибора используют линейный трехточечный сферометр, который помещают последовательно вдоль радиального направления на одинаковом расстоянии от края детали в различных сечениях и по относительной разности в измеренных показаниях стрелки прогиба во взаимно противоположных направлениях определяют величину смещения оптической оси относительно геометрического центра оптической детали.
В данном способе есть ряд ограничений, которые необходимо учитывать при измерениях: образующая детали, на которую опирается сферометр, должна иметь овальность намного меньшую, чем требуемая измеряемая величина смещения, форма поверхности детали должна иметь собственные ошибки меньшие, чем погрешность сферометра, чтобы ошибки поверхности детали не сказывались на результатах измерений, в процессе измерений необходимо с максимально возможной точностью сохранять направление измерений, для чего сферометр базируется за образующую детали с точностью менее 0.1 мм, наклон сферометра к детали устраняется четвертой вспомогательной ножкой сферометра, он должен быть неизменным в процессе измерений, база сферометра должна быть максимально возможной для данной измеряемой детали, поскольку в этом случае повышается точность измерений, метод позволяет определить заданную по техническим условиям величину смещения оптической оси, когда при перемещении сферометра на данную величину в радиальном направлении от центра детали чувствительность его позволяет зафиксировать изменения в величине стрелки прогиба, зеркало во время проведения измерений должно находиться в разгруженном состоянии либо на технологической разгрузке, либо на штатной разгрузке, так же, как в процессе контроля формы поверхности зеркала.
Таким образом, точность измерений положения вершины оптической оси зависит от величины асферичности и градиента асферичности поверхности и от целого ряда описанных условий и для крупногабаритных зеркал точность определения не превышает величину 0.5-2 мм, а то и больше.
Поэтому задачей изобретения ставится создание более точного оптического способа измерения децентрировки асферической поверхности крупногабаритных зеркал телескопов и устранения ее в процессе формообразования и интерферометрического контроля формы поверхности.
Ближайшим к предлагаемому изобретению по технической сущности будет способ контроля асферических поверхностей с помощью комбинированных синтезированных голограмм (СГ), именуемых также как дифракционные оптические элементы (ДОЭ) («Фотоника», 2011 г., №2, стр. 41-43, Полещук А.Г., «Лазерные методы контроля асферической оптики»). Конструкция эталонного ДОЭ описана в патенте того же автора RU 2534435, опубл. 27.11.2014 г. и состоит он из оптической пластины с поверхностным слоем, содержащим дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон. Комбинированный ДОЭ снабжен дополнительными дифракционными структурами (по крайней мере одной), расположенными вне основной структуры, формирующими вспомогательные интерферограммы и служащими, в частности, для юстировки, центрирования ДОЭ относительно интерферометра и исследуемой поверхности. Согласно известному способу (стр. 42, рис. 6а) осесимметричный ДОЭ в качестве корректора волнового фронта преобразует исходный волновой фронт лазерного интерферометра, сферический на выходе из эталонного объектива, в асферический, который точно соответствует форме контролируемой поверхности (3). Отраженный от поверхности (3) волновой фронт вторично проходит ДОЭ и становится почти сферическим. Интерферометр измеряет разность фаз между этим фронтом и отраженным от апланатической эталонной поверхности (5). При контроле вогнутой поверхности размер ДОЭ определяется размером каустики и может быть значительно меньше размера контролируемой асферики. То есть с помощью ДОЭ диаметром, например, 40 мм можно контролировать параболическое зеркало диаметром 4 м. По интерференционной картине от дополнительных дифракционных структур ДОЭ можно достаточно просто обеспечить контроль взаимного положения (центрировки) всех элементов оптической схемы с точностью в доли микрона, т.е. измерить и устранить децентрировку в процессе доводки поверхности.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения децентрировки оптической оси асферической поверхности в процессе формообразования и контроля формы с помощью интерферометра и корректора волнового фронта в виде комбинированного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), включающего основную пропускающую и, по крайней мере, одну дополнительную центрирующую структуру, в отличие от известного, используют ДОЭ с кольцевой фокусирующей структурой, после интерферометрического контроля формы асферической поверхности совмещают положение светящегося пятна от фокусирующей структуры в вершине асферической поверхности с ее геометрическим центром, определяют децентрировочную кому, которую учитывают и устраняют при последующей доводке формы до требуемой расчетной.
Введение в ДОЭ кроме центрирующей дополнительной структуры еще и фокусирующей структуры позволяет просто и точно с помощью светящегося пятна, совместить вершину асферической поверхности с геометрическим центром и по интерферограмме измерить децентрировку.
Изобретение поясняется чертежом, где:
- фиг. 1 - схема контроля асферического зеркала;
- фиг. 2 - конструкция дифракционного оптического элемента (ДОЭ);
- фиг. 3 - иллюстрация наличия децентрировки детали;
- фиг. 4 - иллюстрация устранения децентрировки;
- фиг. 5 - устройство для имитации геометрического центра детали и определения смещения оптической оси;
- фиг. 6 - модельная интерферограмма децентрировочной комы;
- фиг. 7 - форма поверхности детали с децентрировочной комой;
- фиг. 8 - схема смещения маркера вершины поверхности при наклоне ДОЭ относительно интерферометра.
Предложенный способ реализуется следующим образом с использованием измерительной схемы (фиг.1), аналогичной прототипу и включающей последовательно установленные лазерный интерферометр, например, типа Физо с эталонным объективом 1 (или неравноплечий интерферометр с эталонным сферическим зеркалом и светоделительным кубиком), дифракционный оптический элемент (ДОЭ) 2, контролируемую поверхность 3. На ДОЭ 2 (фиг.2) на оптической круглой подложке 4 выполнены основная дифракционная структура 5, вокруг нее дополнительная фокусирующая кольцевая структура 6, и вторая дополнительная кольцевая центрирующая структура 7 для центрирования ДОЭ относительно интерферометра. Для целей контроля зеркала диаметром 4 м фокусирующая структура 6 располагалась в кольце с радиусами от 80,4 до 84,4 мм и центрирующая структура 7 - в кольце с радиусами от 86 до 96 мм. Расстояние от фокуса F объектива 1 до ДОЭ 2 равно 1170 мм, расстояние от ДОЭ 2 до зеркала 3 L=14274 мм (фиг. 8).
Вначале настраивают и центрируют ДОЭ 2 относительно интерферометра с помощью интерферограмм опорного волнового фронта от центрирующей структуры 7, а также, чтобы светящаяся точка (пятно) 8 от фокусирующей структуры 6 совпадала с геометрическим центром зеркала. Для удобства проведения этой операции, особенно в случае зеркал с центральным отверстием, применяют имитатор вершины геометрического центра зеркала в виде трехточечного (с тремя упорами) механического устройства (фиг. 5). С помощью основной структуры 5 ДОЭ проводят интерферометрический контроль формы асферической поверхности. По смещению светящейся точки 8 от центра квадрата (Фиг. 3) определяют направление и величину децентрировочной комы, например, в начале контроля децентрировка составляла 7 мм (Фиг. 3). Размер пятна определяется по критерию Релея d=2,44L/D, где D - диаметр фокусирующей структуры, а λ=0,63236 мкм - длина волны излучения лазера интерферометра; расчетно это 260 мкм.
Децентрировочная кома определяется в разложении формы поверхности в ряд полиномов Цернике (№7,8).
3
В ходе последующих сеансов формообразования и доводки децентрированной поверхности обнаруженную децентрировку устраняют, проводят окончательный ее контроль - на фиг. 4 видно, что светящаяся точка совмещена с геометрическим центром с точностью менее 1 мм. На фиг. 6 представлена модельная интерферограмма децентрировочной комы С=0,689λ, определяющая величину смещения оптической оси. Указанный метод теоретически позволяет определить положение вершины зеркала с точностью порядка 100 мкм, а предложенный способ измерения и устранения децентрировки значительно эффективнее применяемого механического способа измерения с помощью сферометра (пат. RU 2534815), т.к. его точность достигает десятых долей мм. И еще одно важное преимущество способа по сравнению с указанным выше аналогом в том, что он может использоваться для измерения децентрировки внеосевых асферических деталей, когда на ДОЭ есть несколько фокусирующих структур, с помощью которых выполняют юстировку ДОЭ относительно внеосевой детали и определяют положение оптической вершины, находящейся вне детали, с необходимой точностью.
Предложенный способ промышленно применим, т.к. в нем используются стандартные оптические компоненты. Комбинированные ДОЭ стабильно изготавливают в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск.