ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ РАЗНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
INTERFEROMETER FOR CONTROL OF THE FORM OF DIFFERENT SURFACES OF LARGE-SIZED OPTICAL PARTS

Изобретение относится к технике измерений оптических характеристик оптическими средствами и может быть использовано при конструировании интерферометров для прецизионного контроля формы выпуклых сферических, вогнутых асферических и плоских отражающих поверхностей больших диаметров, в частности - зеркал телескопов, выпуклых сферических астрофизических объективов и оптических систем для преобразования лазерного излучения.
Известны интерферометры для контроля формы указанных поверхностей (Ю.В. Коломийцев «Интерферометры», Л-д, «Машиностроение», 1976 г., стр. 195-220), содержащие, в общем случае, источник монохроматического излучения, осветительную, эталонную и регистрирующую системы, а в случае контроля асферических поверхностей - компенсатор (корректор волнового фронта). Недостатком этих интерферометров является ограниченность диапазона их применения и необходимость применения компенсатора индивидуального назначения, который необходимо устанавливать в правильное положение в каждой контрольной операции.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых сферических деталей (авт. свид. SU 1067909, опубл. 30.01.1989 г. ). Интерферометр содержит источник монохроматического излучения и установленные последовательно по ходу излучения плоское зеркало №1 с возможностью его поворота для первой измерительной ветви, объектив №1, светоделитель №1, угловое зеркало №2 для второй измерительной ветви, объектив №2, светоделитель №2. На одном выходе излучения из каждого светоделителя установлены по объективу (№3 и №4) и по фотопластинке в качестве регистратора интерференционной картины. Вместе эти элементы осветительной и регистрирующей ветвей со светоделителем составляют блок анализатора волнового фронта. На другом выходе каждого светоделителя установлены компенсаторы №1 и №2, а между компенсаторами - единая оптическая линзовая система из 2-х, 3-х или 4-х линз, при этом в них входные и выходные поверхности наружных (внешних) линз выполнены вогнутыми сферическими и являются эталонными. Центр кривизны каждой эталонной поверхности совмещен с фокусом соответственно 1-го и 2-го объективов. На интерферометре могут контролироваться одновременно, но по очереди, две сферические выпуклые детали с разными радиусами сфер. При этом контролируемые детали устанавливают за - по ходу излучения - соответствующей эталонной поверхностью оптической системы, чтобы контролируемая сферическая поверхность была обращена в сторону эталонной поверхности. К недостаткам интерферометра надо отнести то, что на нем можно контролировать детали только сферического профиля, затем радиусы эталонных поверхностей необходимо подгонять каждый раз под сферы контролируемых деталей.
Схема достаточно сложна, в ней удвоенное количество основных компонентов - зеркал, объективов, светоделителей, и она не выполнит поставленную задачу.
Задачей изобретения является создание интерферометра упрощенной конструкции для одновременного контроля крупногабаритных оптических поверхностей различного профиля, а именно выпуклых сферических, вогнутых асферических, плоских отражающих.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в интерферометре для контроля формы разнопрофильных поверхностей крупногабаритных оптических деталей (КГОД), включающем в себя осветительную ветвь с источником монохроматического излучения, светоделитель и регистрирующую ветвь, составляющие вместе анализатор волнового фронта, установленное последовательно по ходу излучения плоское поворотное зеркало с возможностью углового его поворота, два компенсатора и две контролируемые детали в двух измерительных ветвях, а между компенсаторами установлена оптическая система с двумя эталонными поверхностями, обращенными в сторону контролируемых поверхностей деталей, в отличие от известного плоское зеркало выполнено двусторонним, имеет возможность поворота на 90°, а оптическая система выполнена в виде двояковогнутого зеркала с осевым отверстием, с эталонными зеркальными поверхностями различной кривизны.
Использование в интерферометре вместо сложной линзовой оптической системы двояковогнутого зеркала с различной кривизной отражающих поверхностей, в частности одной эллиптической и другой - сферической, позволяет упростить всю конструкцию, расширить диапазон контролируемых поверхностей и измерять одновременно в двух измерительных ветвях детали как сферические, так и асферические и плоские. Выбор вида отражающих поверхностей у зеркала и их геометрических параметров обусловлен конкретными потребностями пользователей интерферометра и гораздо легче достижим у зеркала, чем у линзовой системы.
Изобретение поясняется чертежом, где:
Фиг. 1 - общая схема интерферометра;
Фиг. 2 - схема контроля плоских поверхностей.
Интерферометр состоит из следующих основных узлов (фиг. 1): двояковогнутого зеркала 1 с осевым отверстием 2 и с зеркальными эталонными поверхностями различной кривизны, например, эллиптической А и сферической В; анализатора волнового фронта 3, включающего в себя оптическую систему осветителя с источником монохроматического излучения, светоделитель и регистрирующее устройство; плоское поворотное зеркало 4, установленное последовательно по ходу излучения под углом 45° с возможностью его поворота на 90° в позиции 4А и 4В; зеркальных компенсаторов 5 и 6, установленных на оптической оси в двух измерительных ветвях между обращенными друг к другу эталонными поверхностями А и В и контролируемыми поверхностями деталей 7 и 8. Интерферометр позволяет контролировать выпуклые сферические, вогнутые асферические и плоские поверхности. В зависимости от вида и габарита контролируемых поверхностей конструкция зеркальных компенсаторов варьируется соответствующим образом. Так, для контроля плоских поверхностей 9 (фиг. 2) используют компенсатор в виде плоскопараллельной пластины 10 в комбинации с малым сферическим зеркалом 11. В варианте исполнения двояковогнутое зеркало 1 имеет возможность поворотов вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, чтобы можно было дополнительно располагать детали и сбоку от основной оптической оси.
Двояковогнутое зеркало 1 целесообразно изготавливать из оптического крона с малым коэффициентом термического расширения (КТР) или из ситалла с нулевым КТР. Оно будет обеспечивать необходимую жесткость и неизменность, точность эталонных поверхностей А и В, аналогичную или даже большую, чем у линзовой системы прототипа.
Интерферометр действует следующим образом. Монохроматическое излучение в виде плоского волнового фронта, введенное в одну из измерительных ветвей из анализатора 3 с помощью плоского зеркала 4, направляется на компенсатор 5 или 6, далее отражается от эталонной сферической поверхности В или эллиптической поверхности А соответственно, падает и отражается от контролируемой поверхности 7 или 8, и возвращается назад по тому же пути в анализатор 3, где пришедший волновой фронт интерферирует с эталонным волновым фронтом анализатора, регистрируется и анализируется. Для контроля формы выпуклых сферических поверхностей 8 используется вогнутое эллиптическое зеркало А и компенсатор 6, для контроля вогнутых асферических зеркал используется вогнутое сферическое зеркало В и компенсатор 5.
Контролируемые выпуклые сферические поверхности различных радиусов могут быть размещены в пространстве между геометрическими фокусами эллиптической эталонной поверхности, а также между самим эллиптическим зеркалом и ближайшим геометрическим фокусом. Для контроля больших радиусов, (практически от 0 до бесконечности) применяются компенсаторы простейшей конструкции, выполненные, например, в виде плоскопараллельной пластины в комбинации с малым сферическим зеркалом (фиг. 2) или без него.
Для контроля вогнутых асферических поверхностей целесообразно использовать вогнутое сферическое зеркало по схеме, предложенной Д.Д. Максутовым (Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики.- 2-е изд.- М.: Наука, 1984,-272 с), а также по другим схемам, в которых используется вогнутое зеркало для формирования асферического волнового фронта.
Для контроля плоского зеркала могут быть использованы оба зеркала в зависимости от выбора компенсатора сферической аберрации, например, при использовании сферического зеркала можно организовать идеальную афокальную двухзеркальную систему, в которой в роли компенсатора сферической аберрации используется эквидистантное параболическое зеркало. При использовании вогнутого эллиптического зеркала для контроля плоских поверхностей целесообразно использовать компенсатор в виде плоскопараллельной пластины (фиг. 2). Для вывода пучков лучей в анализатор волнового фронта используется плоское поворотное зеркало.
В качестве примера приведены конструктивные параметры некоторых конкретных схем контроля.
Схема 1. Схема контроля выпуклой сферической поверхности в измерительной ветви с эталонной эллиптической поверхностью А.
1
2
Параметры эллиптической поверхности А: диаметр D=800 мм, фокусные расстояния f=995.836944 мм, f=5804.163056 мм.
Параметры компенсатора, выпуклой сферической поверхности: диаметр D=8 мм, радиус кривизны r=40 мм.
Контролируемые сферические поверхности: диаметр =660 мм, радиус кривизны =4808.
Схема 2. Схема контроля плоских поверхностей с использованием эталонного сферического зеркала А путем преобразования плоского волнового фронта в сферический.
Параметры эллиптической поверхности А: диаметр D=800 мм, фокусные расстояния f1=995.836944 мм, f2=5804.163056 мм.
Компенсатор: плоскопараллельная пластина из стекла марки ТК-4 диаметром 168 мм и толщиной 278.405 мм (физическая толщина будет в два раза меньше при нанесении зеркального покрытия на одну из поверхностей).
Контролируемые плоские поверхности: диаметр =800 мм.
Схема 3. Схема контроля асферических зеркал с эталонным сферическим зеркалом В на базе схемы Максутова.
Параметры сферического зеркала В: диаметр =800 мм, радиус =16000 мм.
Контролируемые асферические поверхности: диаметр =1800 мм, радиус кривизны при вершине =18000 мм, коническая константа =-1.