RU169716U1

RU169716U1 - Device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors

Info

Publication number: RU169716U1
Application number: RU2016142163U
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Горшков; Елена Юрьевна Васильева; Татьяна Ивановна Щенникова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Оптика" (АО "НПО "Оптика")
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2017-03-29

Abstract

Полезная модель относится к области оптических измерений и касается устройства для контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал. Устройство включает в себя лазерный излучатель - регистратор, оптический преобразователь светового пучка лазерного излучения, вспомогательный оптический элемент и оправу для контролируемого зеркала. Оптический преобразователь выполнен в виде преобразователя светового пучка лазерного излучения в асферический волновой фронт. Вспомогательный оптический элемент выполнен с эталонной асферической вогнутой поверхностью, форма которой совпадает с формой контролируемой поверхности зеркала, и установлен с возможностью наклона в двух взаимно перпендикулярных направлениях и перемещения в трех взаимно перпендикулярных направлениях с фиксированным воздушным промежутком между ним и контролируемым зеркалом таким образом, чтобы форма асферической эталонной вогнутой поверхности была эквидистантна форме контролируемой поверхности зеркала. Технический результат заключается в повышении точности измерений и расширении номенклатуры контролируемых поверхностей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.The invention relates to the field of optical measurements and relates to a device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors. The device includes a laser emitter-recorder, an optical transducer of a light beam of laser radiation, an auxiliary optical element and a frame for a controlled mirror. The optical converter is made in the form of a converter of a light beam of laser radiation into an aspherical wave front. The auxiliary optical element is made with a reference aspherical concave surface, the shape of which coincides with the shape of the surface of the mirror being monitored, and is mounted with the possibility of tilting in two mutually perpendicular directions and moving in three mutually perpendicular directions with a fixed air gap between it and the controlled mirror so that the shape the aspherical reference concave surface was equidistant to the shape of the controllable mirror surface. The technical result consists in increasing the accuracy of measurements and expanding the range of controlled surfaces. 2 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

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.This proposal relates to measuring technique and is intended to control convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors that are part of optical mirror and mirror-lens systems.

Контроль выпуклых асферических зеркал современных зеркальных и зеркально-линзовых телескопов систем Кассегрена, Ричи-Кретьена, Корша, Кука и др. производится с применением вспомогательной оптики.Convex aspherical mirrors of modern specular and mirror-lens telescopes of the Cassegrain, Ritchie-Chretien, Korsh, Cook, and other systems are controlled using auxiliary optics.

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.An example of using an auxiliary compensation element is a lens with equal radii (1). A controlled hyperbolic convex mirror is installed in an autocollimation control scheme, one of its tricks is combined with the back focus of the concave surface of the auxiliary lens, and the second focus with its center of curvature. A self-collimating ray path is created using a beam splitting coating applied to the concave surface of the lens. The diameter of the auxiliary element is almost equal to the diameter of the controlled mirror.

Точностные требования по качеству вспомогательной линзы не превышают требований к качеству контролируемой гиперболической поверхности. Отсутствует центральное экранирование.The accuracy requirements for the quality of the auxiliary lens do not exceed the quality requirements for a controlled hyperbolic surface. There is no central shielding.

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.Another example of such a solution is the well-known Hindle method (2), based on the use of a sphere with a center of curvature as an auxiliary element, combined with the imaginary focus of a convex hyperbolic mirror and illuminated from its accessible focus. Moreover, auxiliary concave spherical mirrors have a diameter of 3-5 times larger than the diameter of the controlled mirror.

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.The manufacture of such auxiliary optics leads to an increase in the cost of mirrors and a decrease in the reliability of control, since rays from the surface of auxiliary mirrors are reflected twice, transferring their manufacturing errors on a quadruple scale to the wavefront of the control circuit. The control circuit has a central shielding.

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.The disadvantages of this scheme are the ability to control only hyperbolic surfaces with an aperture not higher than 1: 6 and the need to use high-quality glass for the manufacture of an auxiliary lens.

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.In the above control schemes for convex surfaces of aspherical mirrors, various modifications of an unequal interferometer and the property of anaberration points of optical surfaces are used. The interfering reference and subject wave fronts are spherical or flat.

Задачей предлагаемого устройства контроля формы выпуклых асферических зеркал является повышение точности контроля и расширение номенклатуры контролируемых выпуклых асферических поверхностей.The objective of the proposed device for controlling the shape of convex aspherical mirrors is to increase the accuracy of control and expand the range of controlled convex aspherical surfaces.

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.The technical result is the creation of control devices for convex aspherical optical surfaces of both high-precision large-sized mirrors, the material of which does not transmit a laser light beam or having design features of a second non-working surface and convex aspherical mirrors, and high-precision large-size mirrors made of transparent optical material based on interference of aspherical wave fronts.

Технический результат достигается тем, что:The technical result is achieved by the fact that:

- 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;- the control method implemented by these devices is based on the Fizeau interferometer scheme, the advantage of which is that the aspherical reference and aspherical working beams pass almost the same path through the optical system of the control circuit. Therefore, aberrations of the optical system have little effect on the accuracy of the control. Low sensitivity to vibrations allows you to get a high-quality interference picture and process it with a high degree of accuracy;

- 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;- the auxiliary optical element is made with a reference concave aspherical surface, made of optical glass of poor quality and has the same overall dimensions as the controlled mirror. The shape of the concave aspherical reference surface of the auxiliary optical element is the same or equidistant to the shape of the controlled convex surface;

- использование линзовых элементов в схеме контроля исключает центральное экранирование;- the use of lens elements in the control circuit eliminates central shielding;

- возможен контроль выпуклых асферических поверхностей любой формы второго и высшего порядков, в том числе высокоапертурных с большой асферичностью.- it is possible to control convex aspherical surfaces of any shape of the second and higher orders, including high aperture with high asphericity.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо аналогичных технических решений, касающихся предложенных вариантов выполнения его.In the study of the distinguishing features of the described device is not revealed any similar technical solutions regarding the proposed options for its implementation.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию "НОВИЗНА".Thus, the claimed technical solution meets the condition of "NEW".

Сущность заявленного устройства контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал проиллюстрирована ниже:The essence of the claimed device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors is illustrated below:

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.Figure 1 shows a control diagram of the shape of convex aspherical mirrors, the material of which does not transmit a laser light beam of rays or having structural features of a second (non-working) surface.

На рисунке 2 представлена схема контроля выпуклых асферических зеркал, материал которых прозрачен.Figure 2 shows the control scheme for convex aspherical mirrors, the material of which is transparent.

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.The control device for convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors contains optically coupled interferometers with combined branches of the Fizeau type interferometer, including optically coupled laser emitter - recorder 1 and optical converter 2 of the laser light beam, consisting of an optical (lens) system 3, for example, an objective , and an auxiliary optical element 4 (lenses) installed in the base device (not shown in the figure) with the possibility stirovochnyh movements: inclination in two mutually perpendicular directions and displacement in three mutually perpendicular directions. The auxiliary optical element 4 (lens) and the controlled mirror 5 fixed in the frame (not shown in the figure) have respectively an aspherical reference concave (working) surface 6, the shape of which coincides with the shape of the controlled convex surface of the mirror, and a controlled aspherical convex, for example, hyperbolic , the surface 7 of the mirror 5, and the auxiliary optical element 4 is installed with a fixed air gap between it and the controlled mirror 5, and its shape is aspherical reference concave (Working) surface 6 equidistant with the shape of the convex surface of Controlled 7 controlled mirror 5.

Оптический преобразователь 2 светового пучка формирует световой пучок лазерного излучения в асферический волновой фронт, направленный по нормали к контролируемой поверхности 7.The optical transducer 2 of the light beam forms a light beam of laser radiation into an aspherical wave front directed along the normal to the controlled surface 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.For mirrors whose material does not transmit a laser light beam or having design features of a non-working surface, an auxiliary optical element 4 with an aspherical reference concave surface 6, made of a material transmitting light beam of laser radiation, is installed along the emitter beams in front of the controlled surface 7 located in the frame of the mirror 5 with a fixed air gap.

Работает предложенное устройство контроля в данном случае следующим образом:The proposed control device in this case works as follows:

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.A collimated light beam of coherent laser beams passes through the lens system 3 constituting the optical transducer 2, for example, a lens, and an auxiliary optical element 4 (lens) mounted in front of the controlled surface 7 along the rays and having a reference concave aspherical surface 6. After passing through the lens system 3, the light beam is transformed into an aspherical wave front, the shape of which coincides with the shape of the surface 7 being controlled and is directed along the normals to the aspherical second reference surface 6 of the auxiliary member 4 and controlled aspherical surface 7. Next, the aspherical wavefront is reflected from a controlled convex surface 7 passing through the reference aspherical surface 6 interferes with reflected from it the reference wavefront. The resulting interference pattern is recorded using the registration system, determining the amount of deviation of the shape of the controlled surface from the nominal.

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.Moreover, in this case, the functions of the optical transducer 2 of the light beam of laser radiation are performed by a combination of the optical (lens) system 3, the material of the auxiliary optical element 4 (lens), its thickness and the shape of its first surface along the rays, together forming zero - the wave aberration corrector of the above systems that convert the light beam into an aspherical wavefront, the shape of which coincides with the shape of the surface being monitored and directing normal to the surface 7 of the mirror 5 being controlled.

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.For mirrors, the material of which transmits a light beam of laser radiation, an auxiliary optical element 4 is installed along the rays of the emitter behind a controlled surface 7 located in the frame of the mirror 5.

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.The laser collimated light beam passes through the lens system 3, which functions as an optical converter 2 of the laser radiation and is directed normal to the controlled aspherical surface 7 from the side of the second (non-working) surface of the mirror 5. In this case, the optical converter 2 together with the controlled mirror 5 forms a non-aberrational autocollimation system with internal reflection from the controlled surface 7. Next, part of the light beam passes through the controlled convex surface 7 and Determines directly along the normal to the reference surface 6 is a concave aspheric optical auxiliary optical member 4, a controlled equidistant mounted behind it with a fixed air gap.

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.The aspherical light beam reflected from the reference surface normally falls onto the controlled surface 7, interferes with the aspherical object beam. The resulting interference pattern is visualized by means of the registrar 1 with the determination of deviations of the shape of the surface 7 from the nominal.

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.The optical converter 2 of the light beam of laser radiation itself, consisting of an optical lens system 3, together with the second (non-working) surface of the controlled mirror, its shape, material and refractive index together form zero - the corrector of the wave aberrations of the above system, which converts the light beam into aspherical wave front, the shape of which coincides with the shape of the surface being monitored and guides normal to the surface of the mirror being monitored.

Отличительными особенностями предлагаемого устройства контроля являются:Distinctive features of the proposed control device are:

1) использование интерферометра с совмещенными ветвями типа Физо;1) the use of an interferometer with combined branches of the Fizeau type;

2) работа устройства основана на интерференции асферических волновых фронтов;2) the operation of the device is based on the interference of aspherical wave fronts;

3) световые пучки падают по нормалям к вогнутой эталонной асферической и контролируемой выпуклой асферической поверхности;3) light beams incident along the normals to a concave reference aspherical and controlled convex aspherical surface;

4) имеется возможность контроля высокоточных выпуклых асферических поверхностей любой формы второго и высших порядков, в том числе высокоапертурных и с большой асферичностью.4) it is possible to control high-precision convex aspherical surfaces of any shape of the second and higher orders, including high aperture and high asphericity.

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.The developed control method, together with the devices that implement it, was experimentally confirmed in the manufacture of a number of aspherical mirror surfaces with shape accuracy according to the RMS criterion σ = λ / 60 ÷ λ / 120 (λ = 0.6328 μm), which were included in high-precision astronomical lenses for space purposes .

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".Thus, the claimed technical solution meets the condition "INDUSTRIAL APPLICABILITY".

Информация, использованная при подготовке заявки:Information used in preparing the application:

1. "Методы контроля оптических асферических поверхностей", Д.Т. Пуряев, Москва, Машиностроение, 1976 г., с. 212-251.1. "Methods of control of optical aspherical surfaces", D.T. Puryaev, Moscow, Mechanical Engineering, 1976, p. 212-251.

2. "Оптический производственный контроль" под редакцией Д. Малакары, Москва, Машиностроение, 1985 г., с. 360-362. (прототип)2. "Optical production control" edited by D. Malakara, Moscow, Mechanical Engineering, 1985, p. 360-362. (prototype)

Claims

1. A device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors, containing optically coupled laser emitter forming an interferometer — a recorder, an optical transducer of a light beam of laser radiation, and an auxiliary optical element and a frame for a controlled mirror placed in basing devices equipped with adjustment movements the latter, characterized in that the optical converter is made in the form of a converter of the laser beam emitted into the aspherical wavefront, and the auxiliary optical element is made with a reference aspherical concave surface, the shape of which coincides with the shape of the convex surface of the mirror under control, and is installed with the aid of its base with the ability to tilt in two mutually perpendicular directions and move in three mutually perpendicular directions with a fixed air gap between it and the controlled mirror, so that its shape is an aspherical reference second equidistant concave surface has a convex surface shape controlled controlled mirrors.

2. The device according to claim 1, characterized in that the auxiliary optical element is made of a material that is able to transmit a light beam of laser radiation and is installed along the emitter’s rays in front of the controlled surface of a controlled mirror, the optical laser light beam optical converter itself, material auxiliary optical element, its thickness and the shape of its first surface along the rays form zero - the corrector of wave aberrations in the aggregate converting light in approx aspherical wavefront is directed along the normal to the mirror surface controllable.

3. The device according to p. 1, characterized in that the auxiliary optical element is installed along the emitter's rays behind the controlled surface of the mirror mounted in the frame, and the optical light transducer itself, together with the second (non-working) surface of the controlled mirror, its shape, material and indicator refractions form zero - the corrector of wave aberrations, which together transform the light beam into an aspherical wave front directed along the normal to the controlled surface of the mirror.