Устройство для контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал

Данное предложение относится к измерительной технике и предназначено для контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал, входящих в состав оптических зеркальных и зеркально-линзовых систем.
Контроль выпуклых асферических зеркал современных зеркальных и зеркально-линзовых телескопов систем Кассегрена, Ричи-Кретьена, Корша, Кука и др. производится с применением вспомогательной оптики.
Примером использования вспомогательного компенсационного элемента является линза с равными радиусами (1). Контролируемое гиперболическое выпуклое зеркало устанавливается в автоколлимационной схеме контроля, один из его фокусов совмещается с задним фокусом вогнутой поверхности вспомогательной линзы, а второй фокус с ее центром кривизны. Автоколлимационный ход лучей создается с помощью светоделительного покрытия, нанесенного на вогнутую поверхность линзы. Диаметр вспомогательного элемента при этом практически равен диаметру контролируемого зеркала.
Точностные требования по качеству вспомогательной линзы не превышают требований к качеству контролируемой гиперболической поверхности. Отсутствует центральное экранирование.
Другим примером подобного решения является известный метод Хиндла (2), основанный на применении в качестве вспомогательного элемента сферы с центром кривизны, совмещенным с мнимым фокусом выпуклого гиперболического зеркала и засвеченного из его доступного фокуса. При этом вспомогательные вогнутые сферические зеркала имеют диаметр в 3-5 раз больше, чем диаметр контролируемого зеркала.
Изготовление такой вспомогательной оптики ведет к повышению стоимости зеркал и снижению надежности контроля, так как лучи от поверхности вспомогательных зеркал отражаются дважды, перенося свои погрешности изготовления в учетверенном масштабе на волновой фронт контрольной схемы. В схеме контроля присутствует центральное экранирование.
Недостатками данной схемы являются возможность проведения контроля только гиперболических поверхностей с апертурой не выше 1:6 и необходимость использования стекла высокого качества для изготовления вспомогательной линзы.
В вышеуказанных схемах контроля выпуклых поверхностей асферических зеркал используются различные модификации неравноплечего интерферометра и свойство анаберрационных точек оптических поверхностей. Интерферирующие эталонный и предметный волновые фронты сферические или плоские.
Задачей предлагаемого устройства контроля формы выпуклых асферических зеркал является повышение точности контроля и расширение номенклатуры контролируемых выпуклых асферических поверхностей.
Техническим результатом является создание устройств контроля выпуклых асферических оптических поверхностей как высокоточных крупногабаритных зеркал, материал которых не пропускает лазерный световой пучок или имеющих конструктивные особенности второй нерабочей поверхности и выпуклых асферических зеркал, так и высокоточных крупногабаритных зеркал, изготовленных из прозрачного оптического материала, основанных на интерференции асферических волновых фронтов.
Технический результат достигается тем, что:
- реализуемый данными устройствами способ контроля основан на схеме интерферометра Физо, преимущество которого заключается в том, что асферический эталонный и асферический рабочий пучки проходят практически равный путь через оптическую систему схемы контроля. Поэтому аберрации оптической системы оказывают слабое влияние на точность контроля. Низкая чувствительность к вибрациям позволяет получить качественную интерференционную картину и обработать ее с высокой степенью точности;
- вспомогательный оптический элемент выполнен с эталонной вогнутой асферической поверхностью, изготавливается из оптического стекла невысокого качества и имеет такие же габаритные размеры, что и контролируемое зеркало. Форма вогнутой асферической эталонной поверхности вспомогательного оптического элемента совпадает или эквидистантна форме контролируемой выпуклой поверхности;
- использование линзовых элементов в схеме контроля исключает центральное экранирование;
- возможен контроль выпуклых асферических поверхностей любой формы второго и высшего порядков, в том числе высокоапертурных с большой асферичностью.
При исследовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо аналогичных технических решений, касающихся предложенных вариантов выполнения его.
Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию "НОВИЗНА".
Сущность заявленного устройства контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал проиллюстрирована ниже:
На рисунке 1 представлена схема контроля формы выпуклых асферических зеркал, материал которых не пропускает лазерный световой пучок лучей или имеющих конструктивные особенности второй (нерабочей) поверхности.
На рисунке 2 представлена схема контроля выпуклых асферических зеркал, материал которых прозрачен.
Устройство контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал содержит оптически связанные интерферометр с совмещенными ветвями типа интерферометра Физо, включающий в себя оптически связанные лазерный излучатель - регистратор 1 и оптический преобразователь 2 светового пучка лазерного излучения, состоящий из оптической (линзовой) системы 3, например объектива, и вспомогательного оптического элемента 4 (линзы), установленного в приспособлении базирования (на рисунке не показано) с возможностью юстировочных перемещений: наклона в двух взаимно перпендикулярных направлениях и перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Вспомогательный оптический элемент 4 (линза) и контролируемое зеркало 5, закрепленное в оправе (на рисунке не показана), имеют соответственно асферическую эталонную вогнутую (рабочую) поверхность 6, форма которой совпадает с формой контролируемой выпуклой поверхности зеркала, и контролируемую асферическую выпуклую, например гиперболическую, поверхность 7 зеркала 5, причем вспомогательный оптический элемент 4 установлен с фиксированным воздушным промежутком между ним и контролируемым зеркалом 5, а его форма асферической эталонной вогнутой (рабочей) поверхности 6 эквидистантна с формой контролируемой выпуклой поверхности 7 контролируемого зеркала 5.
Оптический преобразователь 2 светового пучка формирует световой пучок лазерного излучения в асферический волновой фронт, направленный по нормали к контролируемой поверхности 7.
Для зеркал, материал которых не пропускает лазерный световой пучок или имеющих конструктивные особенности нерабочей поверхности, вспомогательный оптический элемент 4 с асферической эталонной вогнутой поверхностью 6, выполненный из пропускающего световой пучок лазерного излучения материала, установлен по ходу лучей излучателя перед контролируемой поверхностью 7 размещенного в оправе зеркала 5 с фиксированным воздушным промежутком.
Работает предложенное устройство контроля в данном случае следующим образом:
Коллимированный световой пучок лучей когерентного лазерного излучения проходит через составляющие оптический преобразователь 2 линзовую систему 3, например объектив, и вспомогательный оптический элемент 4 (линзу), установленный перед контролируемой поверхностью 7 по ходу лучей и имеющий эталонную вогнутую асферическую поверхность 6. После прохождения через линзовую систему 3 световой пучок преобразуется в асферический волновой фронт, форма которого совпадает с формой контролируемой поверхности 7 и направляется по нормалям к асферической эталонной поверхности 6 вспомогательного элемента 4 и контролируемой асферической поверхности 7. Далее асферический волновой фронт отражается от контролируемой выпуклой поверхности 7, проходя через эталонную асферическую поверхность 6, интерферирует с отраженным от нее эталонным волновым фронтом. Полученную интерференционную картину фиксируют с помощью системы регистрации, определяя величину отклонения формы контролируемой поверхности от номинальной.
Причем в данном случае функции оптического преобразователя 2 светового пучка лазерного излучения выполняет совокупность оптической (линзовой) системы 3, материала вспомогательного оптического элемента 4 (линзы), его толщины и формы его первой поверхности по ходу лучей, вместе образующих нуль - корректор волновых аберраций указанной выше системы, преобразующих световой пучок в асферический волновой фронт, форма которого совпадает с формой контролируемой поверхности и направляющих по нормали к контролируемой поверхности 7 зеркала 5.
Для зеркал, материал которых пропускает световой пучок лазерного излучения, вспомогательный оптический элемент 4 установлен по ходу лучей излучателя за контролируемой поверхностью 7 размещенного в оправе зеркала 5.
Работает предложенное устройство контроля в данном случае следующим образом:
Лазерный коллимированный световой пучок проходит через линзовую систему 3, выполняющую функции оптического преобразователя 2 лазерного излучения и направляется по нормалям к контролируемой асферической поверхности 7 со стороны второй (нерабочей) поверхности зеркала 5. При этом оптический преобразователь 2 совместно с контролируемым зеркалом 5 образует безаберрационную автоколлимационную систему с внутренним отражением от контролируемой поверхности 7. Далее часть светового пучка проходит через контролируемую выпуклую поверхность 7 и падает по нормали непосредственно на эталонную вогнутую асферическую поверхность 6 оптического вспомогательного оптического элемента 4, эквидистантную контролируемой, установленную за ней с фиксированным воздушным промежутком.
Отразившийся от эталонной поверхности асферический световой пучок по нормали падает на контролируемую поверхность 7, интерферирует с асферическим предметным пучком. Полученная интерференционная картина визуализируется посредством регистратора 1 с определением отклонений формы контролируемой поверхности 7 от номинальной.
Сам оптический преобразователь 2 светового пучка лазерного излучения, состоящий из оптической линзовой системы 3, совместно со второй (нерабочей) поверхностью контролируемого зеркала, его формой, материалом и показателем преломления в совокупности образуют нуль - корректор волновых аберраций указанной выше системы, преобразующих световой пучок в асферический волновой фронт, форма которого совпадает с формой контролируемой поверхности и направляющих по нормали к контролируемой поверхности зеркала.
Отличительными особенностями предлагаемого устройства контроля являются:
1) использование интерферометра с совмещенными ветвями типа Физо;
2) работа устройства основана на интерференции асферических волновых фронтов;
3) световые пучки падают по нормалям к вогнутой эталонной асферической и контролируемой выпуклой асферической поверхности;
4) имеется возможность контроля высокоточных выпуклых асферических поверхностей любой формы второго и высших порядков, в том числе высокоапертурных и с большой асферичностью.
Разработанный способ контроля в совокупности с реализующими его устройствами экспериментально подтвержден при изготовлении ряда асферических поверхностей зеркал с точностью формы по критерию СКО σ=λ/60÷λ/120 (λ=0,6328 мкм), которые вошли в состав высокоточных астрономических объективов космического назначения.
Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".
Информация, использованная при подготовке заявки:
1. "Методы контроля оптических асферических поверхностей", Д.Т. Пуряев, Москва, Машиностроение, 1976 г., с. 212-251.
2. "Оптический производственный контроль" под редакцией Д. Малакары, Москва, Машиностроение, 1985 г., с. 360-362. (прототип)