ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ВОГНУТЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области изготовления крупногабаритных и светосильных оптических элементов и компонентов, преимущественно для телескопических систем различного назначения, а именно, к метрологическому обеспечению процессов формообразования крупногабаритных асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности вогнутых зеркал телескопов (в том числе составных главных зеркал телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена), и может быть использована на всех стадиях их производства и аттестации.
Известно голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей с большой крутизной [Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Устройство для контроля качества оптических поверхностей сложной формы // Авт. свид. СССР №413373. Бюл. №4 от 30.01.1974 г., заявка №1789673 от 29.05.1972 г.], содержащее монохроматический точечный источник света, коллиматор, светоделитель и осевой синтезированный голограммный оптический элемент с выпуклой сферической рабочей поверхностью вращения.
Это голографическое устройство основано на реализации схемы контроля автоколлимационного типа, в которой осевой синтезированный голограммный оптический элемент непосредственно участвует в формировании изображения контролируемой оптической поверхности, внося тем самым значительные искажения в интерференционные полосы получаемых интерферограмм.
Известно голографическое устройство для контроля формы составного вогнутого главного зеркала телескопа типа Кассегрена [Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф., Пышнов В.Н. О возможностях лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» // Оптический журнал. 2017. Т. 84. №12. С. 45-49.], содержащее четыре идентичных оптических канала контроля, в каждом из которых используется свой оригинальный осевой синтезированный голограммный оптический элемент.
Каждый из этих четырех идентичных оптических каналов контроля содержит по ходу лучей лазерный источник света, расширитель светового пучка, первый светоделитель, первый формирующий объектив, первое диагональное зеркало, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения, второе диагональное зеркало, второй формирующий объектив, второй светоделитель, опорное зеркало; сопрягающий объектив, пространственный фильтр, регистрирующую камеру, блок отображения и обработки информации.
Прототипом является голографическое устройство для контроля формы крупногабаритных асферических оптических поверхностей, содержащее лазерный источник света, первый светоделитель для разделения световых пучков в измерительный и опорный каналы, второй светоделитель для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов и направления в канал регистрации и обработки изображения, при этом опорный канал содержит расширитель светового пучка, а измерительный канал содержит формирователь монохроматического точечного источника света, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения, на который нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, и коллимирующий объектив [Аверьянова Г.И., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Контроль больших асферических поверхностей с помощью круговых искусственных голограмм // Оптико-механическая промышленность. 1975. №6. С. 60, рис. 1а].
Крупногабаритные вогнутые асферические оптические поверхности (КВАП) с большой крутизной и градиентом асферичности, как монолитных, так и составных асферических зеркал и линз характеризуются наличием одновременно поперечной и продольной сферических аберраций световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, причем величина поперечной сферической аберрации световых лучей, как правило, существенно больше величины соответствующей продольной сферической аберрации световых лучей. При контроле формы КВАП требуется обеспечить получение конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре.
Основным недостатком аналогов и прототипа является то, что в силу конструктивных особенностей осевые синтезированные голограммные оптические элементы известных устройств не могут компенсировать продольную сферическую аберрацию световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, а могут компенсировать только соответствующую поперечную сферическую аберрацию, что приводит к необходимости использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов с чрезмерно большими световыми диаметрами.
2
В частности, для осуществления «полноразмерного» контроля формы составного главного зеркала телескопа космической обсерватории «Миллиметрон» световым диаметром 10000 мм и уравнением рабочей вогнутой асферической оптической поверхности у=9600x в силу своей чрезвычайно высокой асферичности и крутизны формы потребовался бы осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения световым диаметром не менее пяти метров, что при современном состоянии технологии невозможно обеспечить.
Подобную задачу не решит и осевой синтезированный голограммный оптический элемент с выпуклой сферической рабочей поверхностью вращения, так как в данном случае требуемый его световой диаметр будет порядка нескольких метров.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности за счет уменьшения габаритов осевого синтезированного голограммного оптического элемента в результате использования дифракционной структуры, выполненной на конической рабочей поверхности подложки, обеспечивающей компенсацию продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, при получении конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре.
Технический результат достигается за счет того, что в голографическом устройстве для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей, содержащем лазерный источник света, первый светоделитель для разделения световых пучков в измерительный и опорный каналы, второй светоделитель для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов и направления в канал регистрации и обработки изображения, при этом опорный канал содержит расширитель светового пучка, а измерительный канал содержит формирователь монохроматического точечного источника света, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с рабочей поверхностью вращения, на которую нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, и коллимирующий объектив, согласно настоящей полезной модели, в измерительном канале введены точечная диафрагма, установленная с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой оптической поверхности, и диафрагма с переменным световым диаметром, расположенная в фокальной плоскости коллимирующего объектива, при этом рабочая поверхность осевого синтезированного голограммного оптического элемента выполнена в виде кругового конуса, обращенного вершиной в сторону монохроматического точечного источника света, причем осевой синтезированный голограммный оптический элемент установлен с возможностью формирования совместно с контролируемой оптической поверхностью изображения монохроматического точечного источника света в плоскости диафрагмы с переменным световым диаметром.
А также тем, что осевой синтезированный голограммный оптический элемент выполнен в виде амплитудной отражательной голограммы.
На фиг. 1 изображена оптическая схема предложенного голографического устройства для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности на примере контроля формы составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон».
На фиг. 2 изображен фрагмент оптической схемы измерительного канала предложенного голографического устройства в увеличенном масштабе.
На фиг. 3 изображен осевой синтезированный голограммный оптический элемент, выполненный на подложке с рабочей поверхностью в виде кругового конуса.
1
Голографическое устройство для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей содержит лазерный источник 1 света, первый светоделитель 2 для разделения световых пучков в измерительный канал, задающий оптическую ось OO устройства, и в опорный канал, второй светоделитель 3 для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов, расширитель 4 светового пучка, канал 5 регистрации и обработки изображения.
Измерительный канал содержит формирователь 6 монохроматического точечного источника света А, осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7, имеющий подложку 8 с рабочей поверхностью 9 вращения, на которую нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, представляющая собой систему концентрических чередующихся отражающих 10 и неотражающих 11 колец, и коллимирующий объектив 12.
Опорный канал содержит первое 13 и второе 14 поворотные зеркала, расположенные между первым 2 и вторым 3 светоделителями.
Расширитель 4 светового пучка размещен в опорном канале между вторым поворотным зеркалом 14 и вторым светоделителем 3.
Канал 5 регистрации и обработки изображения содержит проекционный объектив 15, расположенный за вторым светоделителем 3, ирисовую диафрагму 16 для осуществления пространственной фильтрации изображения, светочувствительную матрицу 17, электрически связанную с блоком 18 отображения и обработки информации.
Измерительный канал дополнительно содержит точечную диафрагму 19 и диафрагму 20 с переменным световым диаметром.
1
1
1
Точечная диафрагма 19 установлена с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой КВАП. Также с центром точечной диафрагмы 19 совмещен монохроматический точечный источник света А. При этом расстояние вдоль оптической оси OO от монохроматического точечного источника света А, совпадающего с вершиной контролируемой КВАП, до вершины осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 равно расчетному расстоянию а. Точечная диафрагма 19 обеспечивает позиционирование на оптической оси OO монохроматического точечного источника света А, тем самым повышается точность операции юстировки контрольной схемы, а так же дополнительно обеспечивается пространственная фильтрация сферической волны, излучаемой монохроматическим точечным источником света А.
2
1
Диафрагма 20 с переменным световым диаметром расположена в фокальной плоскости коллимирующего объектива 12 на расчетном расстоянии а от точечной диафрагмы 19 (расстояние вдоль оптической оси OO от монохроматического точечного источника света А до изображения А' монохроматического точечного источника света).
Диафрагма 20 с переменным световым диаметром обеспечивает пространственную фильтрацию рабочей волны измерительного канала, отраженной от контролируемой КВАП, вблизи плоскости наименьшего кружка рассеяния (НКР), при этом по мере уменьшения погрешности формообразования контролируемой КВАП световой диаметр диафрагмы 20 может уменьшаться, в пределе приближаясь к дифракционному размеру НКР (к диаметру кружка Эри).
Рабочая поверхность 9 подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 выполнена в виде кругового конуса, обращенного вершиной в сторону монохроматического точечного источника света А.
Формирователь 6 монохроматического точечного источника света А выполнен в виде микрообъектива.
Осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7 установлен с возможностью формирования, совместно с контролируемой КВАП, изображения А' монохроматического точечного источника света в плоскости диафрагмы 20 с переменным световым диаметром.
Осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7 выполнен в виде амплитудной отражательной голограммы, что позволяет практически исключить зависимость дифракционной эффективности этого голограммного оптического элемента от угла падения лучей от монохроматического точечного источника света А в различных зонах его светового диаметра, тем самым обеспечить постоянство видности интерференционных полос получаемых интерферограмм в пределах контролируемого светового поля [Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973. С. 256-258].
Материалом подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 может быть бесцветное оптическое стекло марки К8, а для обеспечения температурной стабильности - кварцевое оптической стекло марки КУ-1 или ситалл марки СО115М [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 30-32].
Закон чередования отражающих 10 и неотражающих 11 колец (частотная характеристика дифракционной структуры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7) в общем случае определяется расчетными значениями рабочей длины волны монохроматического точечного источника света, параметров выбранной схемы контроля, параметров рабочей поверхности контролируемой оптической детали и параметров подложки осевого синтезированного голограммного оптического элемента и рассчитывается по формуле [Белозеров А., Ларионов Н., Лукин А., Мельников А. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I // Фотоника. 2014. №4 (46). С. 14]:
m
Δl(ρ)=λ(m±1/2Q),
m
где Δl(ρ) - разность оптического пути между волнами опорного и измерительного каналов голографического устройства на краях m-й френелевской зоны, λ - рабочая длина волны монохроматического точечного источника света, Q - скважность, то есть соотношение между периодом повторения, равным сумме ширины отражающего кольца 10 и ширины неотражающего кольца 11, и шириной отражающего кольца 10, равной ширине расчетной френевской зоны (интерференционной полосы).
±
m
При расчете осевого синтезированного голограммного оптического элемента находят координаты краев ρ каждой m-й френелевской зоны (интерференционной полосы).
Отражающие кольца 10 представляют собой металлические участки, обладающие свойством отражения для рабочего спектрального диапазона. Например, это может быть алюминиевое покрытие вакуумного напыления для ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов, золотое - для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов.
Неотражающие кольца 11 представляют собой участки с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами не менее 0,8, который определен путем оценочного расчета с использованием справочных данных по отражающим свойствам металлических покрытий и по зеркальным составляющим неотражающих колец в целях получения интерференционной картины с удовлетворительной видностью интерференционных полос при контроле формы КВАП с большой крутизной и градиентом асферичности монолитных и составных асферических зеркал и линз.
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством поглощения для рабочего спектрального диапазона, могут быть реализованы в виде кольцевых зон из метаматериалов [Ивченко Е.Л., Поддубный А.Н. Резонансные трехмерные фотонные кристаллы // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. Вып. 3. С. 540-547].
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством пропускания для рабочего спектрального диапазона, могут быть получены путем, например, химического или ионно-плазменного вытравливания металлического отражающего покрытия в соответствующих кольцевых зонах голограммного оптического элемента [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 460-465].
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством рассеяния для рабочего спектрального диапазона, могут быть изготовлены путем локального нарушения с помощью специального алмазного резца или сфокусированного лазерного луча исходных отражающих свойств металлического отражающего покрытия в соответствующих кольцевых зонах рассчитанной дифракционной структуры голограммы (так называемые голограммы с «несущей» пространственной частотой нанесения колец [Белозеров А., Ларионов Н., Лукин А., Мельников А. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I // Фотоника. 2014. №4 (46). С. 15-16]).
Изготовление дифракционной структуры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7, содержащего подложку 8 с рабочей поверхностью 9 вращения в виде кругового конуса, возможно при помощи современных прецизионных токарных станков с числовым программным управлением методом «резца», либо лазерных установок методом «прямой записи» с дальнейшей химической или ионно-плазменной обработкой формируемой структуры.
Голографическое устройство работает следующим образом.
Вышедший из одночастотного лазерного источника 1 света пучок направляется к первому светоделителю 2. Светоделителем 2 он делится на два пучка - опорный и измерительный. Опорный пучок направляется к плоскости регистрации - плоскости светочувствительной матрицы 17 с помощью поворотных зеркал 13, 14, расширителя 4 светового пучка, проекционного объектива 15 и ирисовой диафрагмы 16. Измерительный пучок, после прохождения микрообъектива 6 и точечной диафрагмы 19, попадает на отражательный осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7.
Отражательный осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7, выполняющий функцию оптического компенсатора, рассчитан так, что, работая совместно с идеально сформированной контролируемой КВАП, образует безаберрационную систему.
Для КВАП с большой крутизной и градиентом асферичности характерно наличие одновременно поперечной и продольной сферических аберраций световых лучей, отраженных от этой контролируемой оптической поверхности. Компенсация продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой КВАП, происходит за счет использования дифракционной структуры с соответствующим расчетным законом чередования отражающих 10 и неотражающих 11 колец, выполненной на конической рабочей поверхности 9 подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7. При этом обеспечивается получение конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре. После отражения от контролируемой КВАП измерительный пучок, предварительно пройдя диафрагму 20 с переменным световым диаметром, с помощью коллимирующего объектива 12, второго светоделителя 3, проекционного объектива 15 и ирисовой диафрагмы 16 направляется в плоскость регистрации - плоскость светочувствительной матрицы 17, которая оптически сопряжена с контролируемой КВАП. Сформированное на светочувствительной матрице 17 сопряженное изображение контролируемой КВАП совместно с опорным пучком образует интерференционную картину, характеризующую отступления контролируемой КВАП от заданной формы. Полученная интерференционная картина регистрируется и расшифровывается при помощи блока 18 с применением соответствующих специализированных программных средств.
Рассмотрим более подробно схему лазерно-голографического контроля формы составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» и расчетные параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7.
При лазерно-голографическом контроле формы КВАП составного главного зеркала этого телескопа реализуется схема контроля «из точки в другую точку» в целях исключения искажений при получении интерферограммы контролируемой оптической поверхности.
В измерительном канале из монохроматического точечного источника света А световой поток поступает на осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7.
На дифракционной структуре осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 световой поток преобразуется в асферический геометрический фронт, после чего падает на КВАП контролируемого составного главного зеркала, которое состоит из центральной кольцевой зоны с круговым центральным отверстием и трех кольцевых ярусов, при этом панели, образующие центральную зону П1 и три яруса П2 - П4, имеют соответствующие размеры и зональную форму внеосевого вогнутого параболоида.
После отражения от КВАП контролируемого составного главного зеркала образуется изображение А' монохроматического точечного источника света.
Расчетные значения параметров КВАП контролируемого составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон»:
2
- уравнение поверхности у=9600x;
1
- световой диаметр D=10000 мм;
2
- световой диаметр центрального отверстия D=600 мм.
Расчетная рабочая длина волны λ=10,6 мкм.
В результате расчета получены следующие значения:
- параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 с подложкой 8, имеющей рабочую поверхность 9 вращения в виде кругового конуса:
3
световой диаметр основания D=384 мм;
угол при вершине кругового конуса γ=12,7°;
тип осевого синтезированного голограммного оптического элемента - амплитудная отражательная голограмма;
-1
диапазон пространственных частот v дифракционной структуры от 120 до 190 мм (частотная характеристика осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 носит нелинейный характер и изменяется от основания к вершине конической рабочей поверхности 9);
отражающие кольца 10 представляют собой участки синтезированного голограммного оптического элемента 7, реализованные в виде кольцевых зон с золотым отражающим покрытием вакуумного напыления толщиной 600 нм с адгезионным подслоем хрома толщиной 150 нм;
скважность Q=2 (ширина отражающего кольца 10 равна ширине неотражающего кольца 11);
материал подложки - ситалл марки CO115M;
подложка 8, имеющая рабочую поверхность 9 вращения в виде кругового конуса, может быть выполнена полой (облегченной) для снижения ее массы;
- параметры схемы контроля:
1
1
расстояние а (расстояние вдоль оптической оси OO от монохроматического точечного источника света А, совпадающего с вершиной КВАП контролируемого составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон», до вершины осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7) равно 2947 мм;
2
1
расстояние а (расстояние вдоль оптической оси OO от монохроматического точечного источника света А до изображения А' монохроматического точечного источника света) равно 13000 мм.
Примеры конкретного выполнения неотражающих колец 11:
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством поглощения с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,96, реализованы в виде кольцевых зон из трехмерных фотонных кристаллов на основе гранецентрированной кубической матрицы из синтетического опала, поры в которой заполнены диоксидом ванадия [Поддубный А.Н. Теория резонансных фотонных кристаллов и квазикристаллов / Автореф. дис. … канд. физ.-мат.наук; спец. 01.04.10 - Физика полупроводников. - СПб.: Цифровой типографский центр Изд-ва Политехи, ун-та, 2010. 19 с.];
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством пропускания с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,93, получены путем ионно-плазменного вытравливания золотого отражающего покрытия;
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством рассеяния с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,8, изготовлены путем локального нарушения золотого отражающего покрытия с помощью бицилиндрического алмазного резца.
Видно, что расчетные параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 и схема контроля формы КВАП на примере составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон» являются технически реализуемыми.
Использование в предложенном голографическом устройстве осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 с дифракционной структурой, выполненной на конической рабочей поверхности 9 подложки 8, обеспечивающей компенсацию продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, при получении конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре, а также наличие в измерительном канале точечной диафрагмы 19, установленной с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой оптической поверхности, и диафрагмы 20 с переменным световым диаметром, расположенной в фокальной плоскости коллимирующего объектива 12, открывает возможность выполнять контроль формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности, как монолитных, так и составных асферических зеркал и линз не только в процессе их изготовления (в случае составных оптических элементов - в процессе сборки) и аттестации, но и в условиях эксплуатации в космосе в целях осуществления периодического контроля формы (мониторинга возможной разъюстировки), в частности, составных зеркал космических телескопов.