ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ АСФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
INTERFERENCE METHOD FOR DEFINITION OF THE POSITION OF THE ASPHERIC SURFACE AXIS AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к оптическому приборостроению и может быть использована при сборке и юстировке зеркальных и зеркально-линзовых объективов.
Основной задачей юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов является минимизация суммарной деформации волнового фронта объектива по всему полю зрения. Для объективов с асферическими зеркалами минимизация суммарной ошибки волнового фронта в центре и по полю зрения объектива достигается при совмещении в пространстве оптических осей асферических поверхностей зеркал. Поэтому погрешность определения положения осей асферических зеркал относительно измерительных баз, используемых при сборке и юстировке, во многом определяет качество формируемого изображения.
Известен способ определения положения осей асферических зеркал при помощи сферометра [см. Пат. RU №2534815, МПК G01B 5/252, приор. 22.10.2013]. В качестве измерительной базы используется боковая цилиндрическая поверхность зеркала, относительно которой определяется положение оси асферической поверхности.
Способ осуществляют путем съема контактным линейным трехточечным сферометром геометрических характеристик поверхности по ее краю по нескольким диаметральным сечениям. Сферометр помещают последовательно вдоль радиального направления на одинаковом расстоянии от края детали в различных сечениях. По относительной разности в измеренных показаниях стрелки прогиба во взаимно противоположных направлениях определяют величину смещения оптической оси относительно геометрического центра зеркала.
К недостаткам способа можно отнести возможность повреждения покрытия рабочей поверхности зеркала из-за контактного принципа работы, невозможность определения положения оси внеосевых асферических зеркал, зеркал с отличной от круга формой, невозможность определения угловой децентрировки, ограниченную точность, определяемую погрешностью применяемых индикаторов и точностью выполнения геометрической базы.
Известно устройство для определения положения асферической поверхности зеркала. Этим устройством является сферометр [см. Пат. RU №2534815, МПК G01B 5/252, приор. 22.10.2013], включающий полый корпус, закрепленные в нем на одной линии две опоры по краям и датчик в центре, а также три дополнительных упора, где один упор расположен сбоку датчика и два упора - на одном из торцов ниже корпуса горизонтально с возможностью их фиксации на боковой поверхности измеряемой детали.
К недостаткам устройства можно отнести возможность повреждения покрытия рабочей поверхности зеркала из-за контактного принципа работы, а также невозможность определения положения оси внеосевых асферических зеркал, зеркал с отличной от круга формой, невозможность определения угловой децентрировки, ограниченную точность, определяемую погрешностью применяемых индикаторов и системы базировки.
Известен интерференционный способ определения положения оси асферических зеркал относительно геометрической базы, взятый нами за прототип [Зубаков В.Г. Измерение величины децентрировки оптических деталей с асферическими поверхностями, ОМП, 1972, №4, с. 43]. Способ имеет более высокую точность определения положения оси асферических зеркал вследствие более высокой чувствительности.
Способ основан на явлении интерференции света в воздушном зазоре между сферической поверхностью пробного стекла и асферической поверхностью. Определение положения оси асферической поверхности происходит следующим образом. Эталонный элемент в виде пробного сферического стекла с радиусом поверхности, близким к радиусу вершинной сферы асферической поверхности, самоустанавливается на измеряемой асферической поверхности.
При освещении когерентным светом в воздушном промежутке при взаимодействии волнового фронта, отраженного от рабочей поверхности пробного стекла, и волнового фронта, отраженного от асферической поверхности зеркала, возникает интерференционная картина в виде колец. Положение оси определяют по смещению центра интерференционных колец относительно центра поперечного сечения боковой цилиндрической поверхности зеркала. Измерение величины смещения центров колец осуществляют с помощью измерительного микроскопа или горизонтального компаратора по нескольким радиальным сечениям в целях определения максимального смещения вершины асферической поверхности. Отсчеты снимаются на двух краях одного кольца и на краях детали.
К недостаткам способа можно отнести возможность повреждения покрытия рабочей поверхности зеркала из-за контактного принципа работы, ограничение возможности его применения для больших асферических зеркал из-за отсутствия больших пробных стекол, отсутствие возможности определения положения оси внеосевых асферических зеркал и зеркал с центральным отверстием.
Погрешность способа зависит от числа анализируемых интерференционных колец и выбранных радиальных сечений, а также распределения деформаций асферической поверхности. Для достижения высокой точности необходимо провести большое количество измерений, занимающее значительное время. Этим способом можно определить только линейные смещения оптической оси относительно геометрической базы, что увеличивает общую ошибку определения положения оси асферической поверхности.
Известно интерференционное устройство для определения положения оси асферических зеркал, взятое нами за прототип [Зубаков В.Г. Измерение величины децентрировки оптических деталей с асферическими поверхностями, ОМП, 1972, №4, с. 43]. Устройство включает измерительную базу, схему формирования интерференционной структуры, состоящую из источника когерентного излучения, формирователя опорного и рабочего пучков, эталонного элемента, светоделителя, и систему определения положения оси асферической поверхности относительно измерительной базы по анализу интерференционной картины.
Устройство работает следующим образом. На измеряемое зеркало накладывается и самоустанавливается эталонный элемент в виде пробного стекла с радиусом кривизны, близким к радиусу кривизны вершинной сферы асферического зеркала. При освещении когерентным светом в зазоре между эталонной поверхностью и поверхностью зеркала возникает кольцевая интерференционная картина, положение геометрического центра которой зависит от положения оси асферической поверхности зеркала. Определение положения оси асферического элемента относительно измерительной базы производят при помощи измерительного микроскопа или компаратора по анализу положения геометрического центра интерференционной картины относительно измерительной базы, которой является боковая цилиндрическая поверхность зеркала.
К недостаткам устройства можно отнести возможность повреждения покрытия рабочей поверхности зеркала из-за контактного принципа работы, ограничение возможности его применения для больших асферических зеркал из-за отсутствия больших пробных стекол, отсутствие возможности определения положения оси внеосевых асферических зеркал и зеркал с центральным отверстием.
Погрешность устройства зависит от числа анализируемых интерференционных колец и выбранных радиальных сечений, а также распределения аберраций асферической поверхности. Этим устройством можно определить только линейные смещения оптической оси относительно геометрической базы, что увеличивает общую ошибку определения положения оси асферической поверхности.
Использование в виде базы боковой цилиндрической поверхности асферического зеркала нетехнологично при сборке многозеркальных систем из-за сложности переноса измеренных данных на базу другого элемента.
Техническим эффектом заявляемой группы изобретений является увеличение точности определения положения оси асферических оптических элементов, улучшение технологичности сборки объективов с асферическими оптическими элементами, увеличение диапазона габаритов контролируемых асферических элементов, расширение номенклатуры контролируемых оптических элементов, включая внеосевые зеркала, зеркала с центральным отверстием, зеркала с формой, отличной от круга.
Такой технический эффект достигнут нами, когда:
- в интерференционном способе определения положения оси асферической поверхности оптического элемента относительно измерительной базы, включающем формирование от когерентного источника сферических опорного и объектного волновых фронтов, получение интерференционной картины в результате взаимодействия отраженного от эталонной поверхности опорного и отраженного от асферической поверхности объектного волновых фронтов, определение положения оси асферической поверхности относительно измерительной базы по анализу интерференционной картины, новым является то, что формируют измерительную базу, имеющую собственную оптическую ось, дополнительно формируют компенсатор, имеющий собственную оптическую ось и преобразующий объектный волновой фронт в асферический фронт, совпадающий с теоретической формой контролируемой асферической поверхности, по результатам аберрационного анализа интерференционной картины производят совмещение осей асферической поверхности и компенсатора путем взаимной юстировки асферической поверхности относительно асферического волнового фронта, формируемого компенсатором, до минимизации осенесимметричных аберраций и определяют взаимное положение осей компенсатора и сформированной измерительной базы;
- в интерференционном устройстве определения положения оси асферической поверхности оптического элемента, включающем измерительную базу, блок формирования интерференционной картины, состоящий из источника когерентного излучения, формирователя опорного и объектного пучков, эталонного элемента, светоделителя и системы анализа интерференционной картины, новым является то, что когерентный источник, формирователи опорного и объектного волновых фронтов, эталонный элемент, светоделитель и система анализа интерференционной картины образуют неравноплечий интерферометр, в объектном пучке которого установлен имеющий оптическую ось и преобразующий сферический волновой фронт в асферический фронт заданной формы голограммный компенсатор, интерферометр совместно с компенсатором установлены с возможностью взаимной юстировки по пяти координатам относительно контролируемой поверхности оптического элемента, измерительная база, выполненная в виде оптической марки, представляющей собой полупрозрачную плоскопараллельную пластину с перекрестием, связана с оптическим элементом и установлена рядом* (Рядом - вблизи, около кого-чего-нибудь. С.И. Ожегов. Словарь русского языка. Изд. «Советская энциклопедия», Москва - 1973, стр. 636) с вершиной контролируемой поверхности оптического элемента, а за маркой дополнительно установлена визирная труба с установочным устройством для измерения углового и линейного рассогласования оси марки и оси голограммного компенсатора.
Способы и устройства для преобразования сферического волнового фронта в асферический фронт заданной формы при помощи компенсаторов известны.
Подходы к юстировке компенсаторов относительно объектного пучка интерферометра и асферической поверхности относительно асферического волнового фронта, формируемого компенсатором, известны.
Если хотят повысить технологичность операций сборки оптических систем из оптических элементов с асферическими поверхностями (использовать «нулевой» метод), то ось сформированной измерительной базы совмещают с осью компенсатора (см. п. 2 Формулы).
Если хотят в интерференционном устройстве не только определить положение оси асферической поверхности оптического элемента относительно марки, но и совместить ее с осью марки, то оптическую марку снабжают двумя угловыми и двумя линейными подвижками (см. п. 4 Формулы).
В отличие от известных в предложенных решениях анализируется не положение центра интерференционной картины, а волновые аберрации системы интерферометр-компенсатор-асферическая поверхность. Осенесимметричные аберрации третьего порядка (астигматизм, кома) минимизируются при совмещении осей асферической поверхности и волнового фронта, сформированного компенсатором. Совмещение осей асферической поверхности и асферического фронта, сформированного компенсатором, по результатом аберрационного анализа интерференционной картины повышает точность определения положения оси асферической поверхности вследствие того, что для анализа используется вся асферическая поверхность, а не ее отдельные сечения.
Для определения положения оси асферической поверхности относительно измерительной базы используют то свойство голограммного компенсатора, что он имеет собственную оптическую ось, которая расположена по нормали к плоской поверхности компенсатора и проходит через центр кольцевой дифракционной структуры, при этом ось компенсатора совпадает с осью сформированного компенсатором асферического волнового фронта.
В процессе юстировки устройства ось голограммного компенсатора с высокой точностью совмещается с осью асферической поверхности. Оценка погрешности совмещения приведена ниже. Наличие оптической оси компенсатора позволяет фиксировать угловое и линейное положение оси компенсатора, а значит и асферической поверхности, и перенести ее на оптическую марку визирной трубой.
В отличие от известных решений, где в качестве измерительной базы используется геометрическая база зеркала (боковая цилиндрическая поверхность), в предложенных способе и устройстве используется измерительная база в виде оптической марки, что позволяет не только перенести положение оси асферической поверхности на марку при помощи визирной трубы, но и в дальнейшем использовать марку в качестве измерительной базы при сборке объективов.
Например, при сборке двухзеркального объектива измерительную базу с главного зеркала (если в качестве ее служат геометрические базы самого зеркала) необходимо перенести на ферму вторичного зеркала, и относительно новой базы производить юстировку вторичного зеркала. Операция переноса базы приводит к увеличению погрешности юстировки, особенно при больших габаритах объектива. В случае крупногабаритных оптических систем с асферическими зеркалами использование в качестве измерительной базы оптической марки, материализующей ось асферической поверхности, значительно упрощает совмещение осей асферических элементов в пространстве, повышает технологичность и точность сборки.
Оптическая марка, материализующая оптическую ось асферической поверхности, может быть установлена на оправы внеосевых зеркал и зеркал, имеющих форму, отличную от круга. С дополнительным оптическим элементом (светоделительным кубиком или призмой) она может быть размещена на оправах оптических элементов, не имеющих центрального отверстия. Эти возможности значительно повышают технологичность сборки объективов с внеосевыми и децентрированными зеркалами, которые находят все большее применение.
На чертеже представлена схема устройства определения положения оси асферического оптического элемента, где источник 1 когерентного излучения, формирователь 2 опорного и объектного пучков, светоделитель 3, система 4 анализа интерференционной картины, элемент 5 с эталонной поверхностью, неравноплечий интерферометр 6, установочное (юстировочное) устройство 7, голограммный компенсатор 8, оптическая марка 9, оптический элемент 10 с асферической поверхностью, визирная труба 11.
Заявленная группа изобретений работает следующим образом.
В качестве источника объектного волнового фронта используют неравноплечий интерферометр 6, включающий источник 1 когерентного излучения, формирователь 2 опорного и объектного пучков, светоделитель 3, систему 4 анализа интерференционной картины, элемент 5 с эталонной поверхностью. Преобразование сферического объектного волнового фронта интерферометра 6 в асферический фронт заданной формы осуществляют голограммным компенсатором 8.
Методы преобразования сферического волнового фронта в асферический при помощи голограммного компенсатора известны.
Методы юстировки голограммного компенсатора 8 относительно оси интерферометра 6 при помощи юстировочной голограммы компенсатора известны.
Оптический элемент 10 с асферической поверхностью юстируют относительно системы голограммный компенсатор 8 - интерферометр 6 по результатам анализа интерференционной картины, образованной в результате интерференции волнового фронта, сформированного голограммным компенсатором 8, отраженного от асферической поверхности оптического элемента 10 и прошедшего компенсатор 8 в обратном ходе, и внутреннего эталонного волнового фронта интерферометра 6, отраженного от элемента 5 с эталонной поверхностью.
Методы относительной юстировки (совмещение осей) по анализу интерференционной картины известны.
Юстировку производят до получения минимального значения осенесимметричных аберраций третьего порядка (астигматизма, комы), величина которых связана с взаимной децентрировкой осей асферической поверхности оптического элемента 10 и голограммного компенсатора 8. Юстировка считается законченной, когда аберрационные коэффициенты принимают значение меньше допустимого по расчету для данной оптической системы. Зависимость между значениями аберрационных коэффициентов и величиной взаимной децентрировки легко определить с помощью расчетной программы (Opal, Zemax).
Взаимное перемещение системы голограммный компенсатор 8 - интерферометр 6 относительно оптического элемента 10 с асферической поверхностью должно осуществляться по пяти координатам (т.е. иметь 5 степеней свободы), а конкретное выполнение установочных устройств во многом определяется габаритами оптического элемента. Так, при больших габаритах зеркала, целесообразно перемещать по пяти координатам систему голограммный компенсатор - интерферометр, при малых габаритах зеркала - часть подвижек, например угловых, может быть размещена на держателе зеркала.
Визирную трубу 11 устанавливают за оптическим элементом 10 (в нашем примере оптический элемент имеет центральное отверстие) и выставляют по нормали к плоской поверхности и соосно кольцевой структуре голограммного компенсатора 8. Оптическую марку 9, представляющую собой полупрозрачную плоскопараллельную пластину с перекрестием, устанавливают рядом с вершиной асферической поверхности на оправу оптического элемента 10.
Угловое рассогласование измеряют как разность углов между нормалями к плоскости голограммного элемента 8 и плоскости оптической марки 9, а линейное рассогласование определяют как разность линейного положения изображения кольцевой структуры голограммного компенсатора 8 и изображения перекрестия оптической марки 9.
С целью повышения технологичности операций по сборке объективов ось оптической марки 9 можно совместить с осью голограммного компенсатора 8, а значит, и с осью асферической поверхности при помощи линейных и угловых подвижек.
Приемы измерения линейных и угловых величин, а также приемы переноса измерительной базы при помощи визирной трубы известны.
Такое техническое решение позволяет определить положение оси асферической поверхности и зафиксировать положение оси на оптической марке, расположенной рядом с вершиной зеркала, с высокой точностью и без дополнительных затрат, поскольку голограммный компенсатор используют при контроле формы асферической формы поверхности и его не надо изготавливать специально.
Введение оптической марки дает возможность переносить положение оси асферической поверхности оптического элемента на марку независимо от конструктивных параметров зеркала (его размера, формы, симметрии оси, наличия отверстия).
Пример конкретного исполнения.
В качестве примера (см. фиг.) приведена работа устройства для определения положения оси вогнутого гиперболического асферического зеркала 10 с относительным отверстием 1:2 относительно оптической марки 9.
В устройстве использован фазовый интерферометр фирмы Fisba 6, Швейцария, с эталонным объективом с относительным отверстием 1:1,5, голограммный компенсатор 8 изготовления фирмы «Дифракция», г. Новосибирск.
Для измерения углового и линейного рассогласования осей голограммного компенсатора и оптической марки используется визирная труба 11 ППС-11, производство ЛОМО, Санкт-Петербург.
Оптический элемент 10 размещен в держателе с двумя угловыми подвижками, интерферометр 6 с компенсатором 8 установлен на трехкоординатном линейном столе. Визирная труба 11 расположена на штатном четырехкоординатном установочном устройстве.
Из опыта работы в качестве критерия погрешности установки оси интерферометра с голограммным компенсатором относительно оси асферического зеркала по анализу интерференционной картины была взята остаточная величина комы третьего порядка 0,1λ, при λ=0,63 мкм, которая достаточно просто достигается юстировкой. Эта величина в пересчете составляет рассогласование осей компенсатора и зеркала на 3 угл. сек. (получено при расчете схемы контроля асферической поверхности с помощью компенсатора).
Приведем оценку определения положения оси асферической поверхности зеркала и его переноса на оптическую марку.
м
Погрешность α установки угла марки относительно оси зеркала равна
,
м
где α - погрешность установки угла марки относительно оси зеркала, угл. сек;
к
α - погрешность установки угла голограммного компенсатора относительно интерферометра, угл. сек:
,
где d - погрешность установки голограммы, дл. волн;
λ - длина волны, мкм;
l - расстояние от фокуса голограммного компенсатора до его поверхности, мкм;
;
н
α - угловая погрешность наводки трубы ППС-11 на автоколлимационное изображение, угл. сек:
где b=10 - погрешность совмещения перекрестий, мкм;
f'=640 - фокусное расстояние прибора ППС-11 при фокусировке на бесконечность, мм;
;
а
α - погрешность установки угла системы интерферометр - голограммный компенсатор относительно оси асферической поверхности зеркала, угл. сек:
,
где С=0.1 - граничное значение коэффициента Цернике комы, допустимое при юстировке, дл. волн;
G=33,3 - коэффициент пропорциональности, угл. сек/дл. волн;
(коэффициент получен при расчете контрольной схемы зеркала с компенсатором)
;
;
Погрешность поперечной установки марки относительно оси асферической поверхности зеркала равна
,
м
где h - погрешность поперечной установки марки относительно оси асферической поверхности зеркала, мкм;
к
h - погрешность наведения трубы ППС-11 на кольцевую структуру голограммного компенсатора, мкм:
к
h=0.01+1/200,
где l=1.5 - расстояние между трубой ППС-11 и кольцевой структурой голограммного компенсатора, м;
к
h=0.01+1.5/200=17.5 мкм;
н
h - погрешность наведения трубы ППС-11 на оптическую марку, мкм:
н
h=0.01+1/200,
где l=0,45 - расстояние между трубой ППС-11 и оптической маркой, м;
н
h=0.01+0.45/200=12.25 мкм.
Суммарная погрешность:
Линейная и угловая погрешности определения и переноса положения оси асферической поверхности зеркала на оптическую марку при использовании визирной трубы ППС-11 составляют 21,5 мкм и 6 угл. сек соответственно.
Такие погрешности позволяют осуществлять сборку и юстировку двухзеркальных объективов с асферическими зеркалами с относительными отверстиями до 1:6 в видимом диапазоне спектра и до 1:3 в инфракрасном диапазоне путем совмещения в пространстве оптических марок, установленных по данному способу на оправы зеркал, при помощи визирной трубы [1].
Данный способ определения и фиксации положения осей асферических поверхностей оптических элементов предполагается использовать при сборке и юстировке низкоапертурных и среднеапертурных зеркальных и зеркально-линзовых объективов с асферическими зеркалами.
Литература
1. В.И. Вензель, М.Ф. Данилов, О.А. Лебедев, А.А. Савельева, А.А. Семенов, М.И. Синельников / Возможности метода юстировки осесимметричных двухзеркальных объективов с асферическими зеркалами по геометриическим базам / Прикладная оптика 2016, тр. Конференц. СПб., 2016, с. 23-28.