ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ВЫПУКЛЫХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ Российский патент 1998 года по МПК G01B9/02 G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля формы отражающей поверхности выпуклых гиперболических зеркал большого диаметра с центральным экранированием.

Известен интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых гиперболических зеркал, построенный по компенсационной схеме Хиндла, содержащий формирователь рабочего и опорного волновых фронтов, включающий рабочую и опорную ветви; контрольное сферическое зеркало, установленное в рабочей ветви так, что центр его кривизны совмещен с недоступным фокусом выпуклой гиперболической поверхности контролируемого зеркала; и узел разгрузки контролируемого зеркала [1].

Достоинством данного интерферометра является то, что для осуществления контроля формы поверхности выпуклого гиперболического зеркала необходимо только контрольное сферическое зеркало, установленное в рабочей ветви интерферометра.

Схема позволяет контролировать гиперболоиды в достаточно широком диапазоне характеристик, однако для зеркал, работающих с большим увеличением, равным отношению фокусных расстояний, и малым коэффициентом экранирования, может потребоваться сферическое зеркало слишком большого диаметра (во много раз превышающего диаметр гиперболоида), либо слишком светосильное, что сделает схему практически не реализуемой, либо очень дорогостоящей.

Известен интерферометр, построенный по модифицированной схеме Хиндла, в котором вместо крупногабаритного контрольного сферического зеркала введена система из двух зеркал одинакового диаметра, причем более, чем в три раза меньшего по сравнению с диаметром контрольного сферического зеркала в описанном выше интерферометре [2].

Несомненное достоинство данного интерферометра - значительное уменьшение диаметров контрольных сферических зеркал при достаточно свободных допусках на абсолютные значения радиусов кривизны.

Недостаток интерферометра - увеличение числа оптических компонентов, требуемых для осуществления контроля формы поверхности выпуклого гиперболического зеркала. Хотя точная фазировка контрольных сферических зеркал и не требуется, но возникает необходимость изготовления двух контрольных зеркал вместо одного. Усложняется операция юстировки интерферометра в процессе работы.

Общим существенным недостатком обоих описанных выше интерферометров является значительная протяженность рабочей ветви, что обусловлено параметрами контролируемой поверхности. Доступный фокус контролируемого выпуклого гиперболического зеркала от последнего в несколько раз больше, чем недоступный, с которым совмещен центр кривизны контрольного сферического зеркала. Вследствие этого оба интерферометра имеют низкую виброустойчивость и помехозащищенность от воздушных потоков. При довольно высоких требованиях к точности взаимного расположения оптических компонентов интерферометра в последних отсутствует непрерывный контроль за их пространственной и временной стабильностью. Чтобы избежать возможных погрешностей измерений из-за этого в процессе изготовления, контроля и аттестации выпуклого гиперболического зеркала необходимы периодические проверки параметров взаимного расположения оптических компонентов, что требует проведения сложных юстировочных операций. Контрольные сферические зеркала должны иметь высокую апертуру, что значительно усложняет их изготовление с учетом минимизации отклонений от заданной формы их поверхности.

Интерферометр для контроля выпуклого гиперболического зеркала может быть также построен по компенсационной схеме Д.Д.Максутова [3]. В этом случае контроль осуществляется с помощью контрольного зеркала, имеющего форму эллипсоида и представляющего из себя компенсатор нормалей к контролируемой поверхности. Диаметр контрольного зеркала близок к диаметру гиперболоида.

Интерферометр включает всего один дополнительный элемент (контрольное эллиптическое зеркало) и имеет значительно меньшую, чем в описанных выше схемах протяженностью рабочей ветви, что повышает ее помехозащищенность.

Основными недостатками являются: возможность контролировать лишь гиперболоиды с небольшой асферичностью, а также эллиптическая форма контрольного зеркала, что вызовет дополнительные сложности при его изготовлении.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых гиперболических зеркал, построенный по схеме Сасиана [4] и содержащий формирователь рабочего и опорного волновых фронтов, включающий рабочую и опорную ветви; зеркально-линзовый корректор сферической аберрации, контрольное сферическое зеркало, установленные в рабочей ветви. Зеркально-линзовый корректор образует вместе с контрольным сферическим зеркалом компенсатор аберрации нормалей к поверхности выпуклого гиперболического зеркала.

Данный интерферометр имеет целый ряд преимуществ. Контрольное сферическое зеркало имеет диаметр, сравнимый с диаметром контролируемого выпуклого гиперболического зеркала, а его кривизна меньше, чем требуется в схеме Хиндла. Поэтому изготовление такого контрольного сферического зеркала проще и дешевле. Кроме того, общая длина контрольной схемы (рабочей ветви интерферометра) значительно меньше, чем в случае интерферометра, построенного по схеме Хиндла.

Основным и очень серьезным недостатком интерферометра является наличие сложного зеркально-линзового корректора. Это увеличивает количество оптических компонентов интерферометра, а следовательно, повышает сложность его юстировки. Увеличивается число возможных источников погрешностей измерений, так как параметры зеркально-линзового корректора жестко согласованы с параметрами контролируемой поверхности.

Целью изобретения является уменьшение габаритов контрольной схемы, упрощение конструкции, повышение надежности и облегчение юстировки интерферометра.

Поставленная цель достигается тем, что в известном интерферометре, содержащем формирователь опорного и рабочего волновых фронтов, включающий рабочую и опорную ветви, корректор сферической аберрации и контрольное сферическое зеркало, установленные в рабочей ветви, а также узел разгрузки контролируемого зеркала; корректор выполнен однокомпонентным в виде плоско-параллельной пластинки с нанесенными на одной поверхности тремя системами голографического рельефа - основной и двумя юстировочными (см. фиг. 1). Основная система голографического рельефа 5 образует вместе с контрольным сферическим зеркалом компенсатор аберрации нормалей к поверхности выпуклого гиперболического зеркала. Дополнительные системы голографического рельефа являются юстировчными; одна из них моделируют отражающую сферу, концентричную точке, создаваемой формирователем опорного и рабочего волновых фронтов в рабочем пучке, и служит для юстировки положения корректора относительно указанного формирователя 6; другая представляет собой компенсатор аберрации нормалей к поверхности контрольного сферического зеркала в той же точке 7 и служит для юстировки положения контрольного сферического зеркала относительно корректора и формирователя (см. фиг. 2). Любая юстировочная система голографического рельефа может быть расположена как по периферии основной голограммы (как и показано на фиг. 2), так и в центральной, экранируемой отверстием в гиперболическом зеркале, части корректора 8.

В качестве корректора может быть использована также плоско-вогнутая линза с нанесенными системами голографического рельефа, описанными выше, что позволяет значительно снизить коррекционную нагрузку на основную голограмму и во много раз уменьшить число и частоту зон голограммы.

Корректор и узел разгрузки выпуклого гиперболического зеркала могут быть собраны в едином конструктивном узле.

Контрольное сферическое зеркало может быть выполнено с голографическим рельефом, причем эффективный радиус кривизны голографического рельефа на контрольном сферическом зеркале меньше радиуса кривизны самого сферического зеркала.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого изобретения по отношению к прототипу является существенной и новой, так как ее реализация позволяет достичь существенного технико-экономического эффекта в области контрольно-измерительной техники.

Использование голограммного корректора для контроля асферических (в том числе, гиперболических) поверхностей известно. Однако нам неизвестен факт совместного использования голограммного элемента и контрольного сферического зеркала для достижения поставленной цели изобретения.

Исполнение корректора однокомпонентным позволяет отказаться от многоэлементной зеркально-линзовой схемы корректора, сложной в изготовлении и юстировке. Вследствие этого упрощается конструкция, повышается надежность интерферометра и уменьшаются его габариты.

Исполнение голографического рельефа состоящим из трех систем позволяет использовать одну из них, основную, совместно с контрольным сферическим зеркалом как компенсатор аберрации нормалей к поверхности контролируемого выпуклого гиперболического зеркала, а две другие, дополнительные, для юстировки взаимного расположения элементов интерферометра. Юстировочные голограммы значительно упрощают процесс начальной юстировки интерферометра, а также обеспечивают постоянный непрерывный контроль за ней, то есть за взаимным расположением компонентов интерферометра в процессе работы. Нанесение трех систем голографического рельефа на единой поверхности корректора обеспечивает однозначность установки элементов схемы.

Жесткая связь компенсатора и узла разгрузки контролируемого выпуклого гиперболического зеркала в едином конструктивном узле позволяет достичь их однозначной установки, стабильной в течение длительного времени.

Эти факторы существенно облегчают задачу юстировки интерферометра и повышают его надежность.

Выполнение контрольного сферического зеркала с голографическим рельефом позволяет уменьшить эффективный радиус кривизны этого компонента и за счет этого уменьшить габариты интерферометра (длину рабочей ветви).

Применение каждого из перечисленных выше признаков известно, но неизвестен факт их совокупного использования, что подтверждает критерий новизны заявляемого решения. А поскольку каждый из отличительных признаков влияет на роль других и не может быть исключен без нарушения общего эффекта от их совокупного использования, заявляемое решение отвечает критерию существенности отличий.

Интерферометр работает следующим образом (см. фиг. 1). Рабочий волновой фронт, выходящий из формирователя рабочего и опорного волновых фронтов 1, падает на корректор сферической аберрации 2. Часть рабочего волнового фронта отражается от одной юстировочной системы голографического рельефа, моделирующей сферу, концентричную точке, создаваемой формирователем 1, обратно в указанный формирователь. Она служит для установки корректора 2 относительно формирователя 1. Другая часть рабочего волнового фронта проходит через вторую юстировочную систему голографического рельефа и направляется по нормали к поверхности контрольного сферического зеркала 3. Отразившись от последнего, эта часть рабочего волнового фронта в автоколлимационном ходе проходит корректор 2 и также попадает в формирователь 1. Указанная часть волнового фронта служит для установки контрольного сферического зеркала 3 относительно формирователя 1 и корректора 2. Интерференционные картины, которые получаются при взаимодействии данных частей рабочего волнового фронта с опорным волновым фронтом, создаваемым формирователем 1, позволяют осуществить не только начальную юстировку компонентов интерферометра, но постоянно контролировать стабильность этой юстировки в реальном масштабе времени. Часть рабочего волнового фронта, которая проходит через основную систему голографического рельефа корректора 2, отражается от поверхности контрольного сферического зеркала 3 по нормалям к контролируемой поверхности выпуклого гиперболического зеркала 4, установленного на узле разгрузки. Отразившись от последней, рабочий волновой фронт в обратном ходе отражается от контрольного сферического зеркала 3, проходит через корректор 2 и попадает в формирователь 1, где интерферирует с опорным волновым фронтом.

Таким образом, предлагаемый интерферометр позволяет уменьшить габариты контрольной схемы за счет замены сложного зеркально-линзового корректора на однокомпонентный и нанесения голографического рельефа на поверхность контрольного сферического зеркала. Кроме того, по сравнению с прототипом предложенный прибор имеет более простую конструкцию, а следовательно, более надежен и прост в юстировке. Система юстировочного голографического рельефа существенно облегчает юстировку и повышает надежность интерферометра, поскольку позволяет осуществлять постоянный контроль за взаимным расположением его компонентов в процессе работы.

Источники информации
1. Ав. св. СССР N 149910.

2. А. Г. Серегин, И. С. Потемин, Т. Н. Тульева. К расчету параметров модифицированной схемы Хиндла при контроле выпуклых гиперболических поверхностей.//ОМП, 1991, N 9, с. 83-85.

3. Н. Н. Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. - М.: Наука, 1976, с. 332.

4. Jose M. Sasian. Design of null lens correctors for the testing of astronomical optics.//Opt.Eng., Vol. 27(12), pp. 1051-1056, Dec. 1988.

Использование: для бесконтактного контроля формы отражающей поверхности выпуклых гиперболических зеркал большого диаметра с центральным экранированием. Сущность изобретения: интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых гиперболических зеркал содержит формирователь рабочего и опорного волновых фронтов, включающий рабочую и опорную ветви, контрольное сферическое зеркало, установленное в рабочей ветви, корректор сферической аберрации, установленный в рабочей ветви между формирователем рабочего и опорного волновых фронтов и контрольным сферическим зеркалом, узел разгрузки контролируемых зеркал. При этом корректор, установленный между формирователем рабочего и опорного волновых фронтов и контрольным сферическим зеркалом, выполнен однокомпонентным, представляющим собой плоскопараллельную пластинку с нанесенными на одной поверхности системами голографического рельефа. Сферическое контрольное зеркало и корректор сферической аберрации образуют компенсатор аберрации нормалей к контролируемой поверхности и вместе с контролируемым гиперболоидом составляют рабочую ветвь неравноплечего интерферометра. Изобретение повышает надежность интерферометра. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Интерферометр для контроля формы поверхности выпуклых гиперболических зеркал, содержащий формирователь рабочего и опорного волновых фронтов, включающий рабочую и опорную ветви; контрольное сферическое зеркало, установленное в рабочей ветви, корректор сферической аберрации, установленный в рабочей ветви между формирователем рабочего и опорного волновых фронтов и контрольным сферическим зеркалом, узел разгрузки контролируемых зеркал, отличающийся тем, что корректор, установленный между формирователем рабочего и опорного волновых фронтов и контрольным сферическим зеркалом, выполнен однокомпонентным, представляющим собой плоскопараллельную пластинку с нанесенными на одной поверхности тремя системами голографического рельефа, одна из которых, основная, образует совместно с контрольным сферическим зеркалом компенсатор аберрации нормалей к контролируемой поверхности, а две другие, дополнительные, служат для юстировки взаимного положения элементов интерферометра. 2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что корректор и узел разгрузки контролируемого зеркала выполнены в виде единого конструктивного узла. 3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что контрольное сферическое зеркало выполнено с голографическим рельефом меньшего эффективного радиуса кривизны.