ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ОБЪЕКТИВОВ Российский патент 2014 года по МПК G01M11/02 G01B9/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как в оптическом производстве, так и в измерительных лабораториях для контроля юстировки телескопических систем и оценки их волновых аберраций, а также для контроля объективов, в том числе и с большими входными зрачками.

Известно устройство для контроля юстировки лазерного телескопического расширителя [Нужин B.C., Нужин А.В., Солк СВ. Метод юстировки лазерного телескопического расширителя в инфракрасной области спектра // Оптический журнал. 2004. Т.71. №2. С.25-27], содержащее источник излучения, коллиматор, зеркальный преобразователь, эталонный объектив и фотоприемник с приемной щелью. В данном устройстве параллельный пучок световых лучей, сформированный коллиматором, разделяется зеркальным преобразователем на два параллельных пучка, которые фокусируются в фокальной плоскости эталонного объектива в световое пятно. Для проведения контроля юстировки телескопического расширителя приемная щель с фотоприемником предварительно смещается к световому пятну и, тем самым, устанавливается в фокальной плоскости эталонного объектива. После этого в ходе параллельного пучка световых лучей перед зеркальным преобразователем устанавливается телескопический расширитель. Пучок световых лучей, прошедший расширитель, фокусируется эталонным объективом в световое пятно. Путем второго продольного смещения приемной щели с фотоприемником к вновь сфокусированному эталонным объективом световому пятну определяется величина смещения Δу пятна от фокальной плоскости эталонного объектива. Расфокусировка Δу' телескопического расширителя вычисляется по формуле Δу'=(ƒ_T'/ƒ_Э')²Δу, где ƒ_T' - фокусное расстояние выходного объектива расширителя, а ƒ_Э' - фокусное расстояние эталонного объектива, и устраняется путем изменения расстояния между компонентами расширителя на величину Δу'.

Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля юстировки телескопических систем. Это обусловлено тем, что погрешность определения величины Δу накапливается от неточной установки приемной щели сначала в фокальную плоскость эталонного объектива, а затем неточного совмещения ее со светящейся точкой, сформированной эталонным объективом совместно с телескопическим расширителем. Дополнительную погрешность в определение Δу' вносят и погрешности, с которыми определены фокусные расстояния ƒ_T' и ƒ_Э', используемые в выше приведенной формуле.

Недостатком данного устройства является также и то, что оно не позволяет проверить остаточные волновые аберрации отъюстированного телескопического расширителя и не обеспечивает контроль объективов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интерферометр для контроля объективов и телескопических систем [Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. - М.: Машиностроение, 1978, С.141 - 143]. Осветительная часть его содержит источник монохроматического излучения, а также конденсор и объектив, образующие афокальную систему для формирования параллельного пука световых лучей. Разделительная плоскопараллельная пластина делит пучок лучей, вышедший из афокальной системы на две части: одна из них, отраженная от разделительной плоскопараллельной пластины, поступает в опорную ветвь, а другая, прошедшая разделительную плоскопараллельную пластину, поступает в рабочую ветвь. В опорной ветви установлено плоское зеркало, ориентированное перпендикулярно к параллельному пучку световых лучей, отраженному от разделительной плоскопараллельной пластины, и установленное с возможностью наклона относительно своего исходного положения. В рабочей ветви также установлено плоское зеркало, ориентированное перпендикулярно к параллельному пучку световых лучей, прошедшему разделительную плоскопараллельную пластину, и установленное с возможностью наклона относительно своего исходного положения. Параллельный пучок световых лучей в опорной ветви в результате отражения от плоского зеркала проходит разделительную плоскопараллельную пластину и поступает в блок регистрации, в котором установлены фокусирующий объектив и фотоприемное устройство. Параллельный пучок световых лучей в рабочей ветви после отражения от плоского зеркала, а затем отражения в обратном ходе от разделительной плоскопараллельной пластины, также поступает в блок регистрации. Вследствие переналожения пучков световых лучей, вышедших из опорной и рабочей ветвей, возникает двухлучевая интерференция соответствующих им волн. Образованная в этом случае интерференционная картина фиксируется фотоприемным устройством блока регистрации.

В процессе контроля телескопической системы ее устанавливают в рабочую ветвь между разделительной плоскопараллельной пластиной и плоским зеркалом таким образом, чтобы ее окуляр был обращен к разделительной плоскопараллельной пластине, а оптическая ось ориентирована параллельно направлению пучка световых лучей, распространяющегося от разделительной плоскопараллельной пластины. Посредством наклона плоского зеркала либо в опорной, либо в рабочей ветви получают интерференционную картину и регистрируют ее фотоприемным устройством блока регистрации. Затем проводят анализ состояния фокусировки телескопической системы по общему искривлению интерференционных полос, которое устраняют путем продольного смещения окуляра телескопической системы; оставшиеся местные искривления интерференционных полос показывают наличие в ней остаточных волновых аберраций.

При контроле данным интерферометром объективов предварительно устанавливают в его рабочую ветвь по ходу лучей после разделительной плоскопараллельной пластины вспомогательный высококачественный объектив с небольшим входным зрачком. После него по ходу лучей устанавливают контролируемый объектив таким образом, чтобы его фокус был совмещен с фокусом вспомогательного высококачественного объектива. В этом случае они образуют телескопическую систему. После получения интерференционной картины и регистрации ее фотоприемным устройством блока регистрации проводят анализ состояния фокусировки этой телескопической системы по общему искривлению интерференционных полос, которое устраняют путем продольного смещения либо вспомогательного высококачественного объектива с небольшим входным зрачком, либо контролируемого объектива; оставшиеся местные искривления интерференционных полос показывают наличие волновых аберраций контролируемого объектива. Данный интерферометр позволяет контролировать и объективы с входным зрачком, значительно превосходящим диаметр входного зрачка вспомогательного высококачественного объектива. Это обусловлено тем, что в данном случае в конструкции интерферометра необходимо использовать только один крупногабаритный элемент с диаметром действующей апертуры, не меньшим диаметра входного зрачка контролируемого объектива. Таким элементом является плоское зеркало, установленное в рабочей ветви. Все другие элементы интерферометра могут иметь диаметры около 20 мм.

Недостатком данного интерферометра является невысокая точность контроля фокусировки телескопических систем и их остаточных волновых аберраций, а также контроля качества объективов. Это обусловлено тем, что работа интерферометра основана на использовании двухлучевой интерференции, при которой можно измерить смещение (искривление) интерференционных полос в полученной интерференционной картине с точностью до 0.1 - 0.05 ширины полосы, т.е. измерить изменение разности хода А интерферирующих волн с погрешностью 0.1-0.05λ [Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л., «Машиностроение». 1976, с.8]. Эта погрешность не позволяет использовать данный интерферометр для проведения аттестации телескопических систем, предназначенных для формирования плоских волновых фронтов с более высокой точностью, а также объективов, к которым предъявляются высокие требования по качеству.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание интерферометра, обладающего повышенной точностью контроля фокусировки и остаточных волновых аберраций телескопических систем, а также объективов за счет обеспечения интерференции световых волн, многократно прошедших контролируемые телескопическую систему или объектив.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом интерферометре для контроля телескопических систем и объективов, содержащем монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу лучей афокальную систему для формирования расширенного параллельного пучка световых лучей, разделительную плоскопараллельную пластину, ориентированную под углом к параллельному пучку световых лучей, первое плоское зеркало с отражающим покрытием, обращенным к разделительной плоскопараллельной пластине, и установленное с возможностью изменения угла наклона к параллельному пучку световых лучей, прошедшему разделительную плоскопараллельную пластину, а также второе плоское зеркало, установленное с возможностью изменения угла наклона, и блок регистрации, установленный в пучке световых лучей, отраженном последовательно от первого плоского зеркала, а затем от разделительной плоскопараллельной пластины, и содержащий фокусирующий объектив и фотоприемное устройство, второе плоское зеркало установлено между афокальной системой и разделительной плоскопараллельной пластиной, при этом его отражающее покрытие выполнено слабопропускающим и обращено к отражающему покрытию первого плоского зеркала.

А также тем, что разделительная плоскопараллельная пластина выполнена без полупрозрачного покрытия.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предложенного интерферометра для контроля телескопических систем.

На фиг.2 представлены интерферограммы для расфокусировнной телескопической системы.

На фиг.3 представлены интерферограммы телескопической системы, сфокусированной на бесконечность.

Предлагаемый интерферометр для контроля телескопических систем и объективов содержит монохроматический (лазерный) источник света 1, афокальную систему 2, формирующую на выходе параллельный пучок световых лучей, и установленные по ходу световых лучей второе плоское зеркало 3 со слабопропускающим отражающим покрытием, разделительную плоскопараллельную пластину 4, контролируемую телескопическую систему 5, состоящую из окуляра 6 с фокусом F_ок и объектива 7 с фокусом F_oб, и первое плоское зеркало 8. Зеркала 3 и 8 установлены с возможностью изменения угла наклона к параллельному пучку световых лучей, сформированному афокальной системой 2; при этом их отражающие покрытия обращены к разделительной плоскопараллельной пластине 4, т.е. друг к другу. Отражающее покрытие второго плоского зеркала 3 выполнено слабопропускающим с коэффициентом отражения, равным 0.9÷0.95. Отражающее покрытие первого плоского зеркала 8 также может быть выполнено слабопропускающим с коэффициентом отражения, равным 0.9÷0.95. Разделительная плоскопараллельная пластина 4 ориентирована под углом к направлению распространения параллельного пучка световых лучей, вышедшего из афокальной системы 2. Окуляр 6 контролируемой телескопической системы 5 снабжен возможностью перемещения вдоль ее оптической оси. В ходе пучка световых лучей, который формируется в результате отражения от первого плоского зеркала 8 падающего на него пучка световых лучей, а затем отражения части его от разделительной плоскопараллельной пластины 4, установлен блок регистрации, содержащий фокусирующий объектив 9 и фотоприемное устройство 10, состоящее, например, из передающей камеры и монитора.

Разделительная плоскопараллельная пластина 4 может быть выполнена без полупрозрачного покрытия.

Интерферометр работает следующим образом. Пучок световых лучей от монохроматического (лазерного) источника света 1 поступает в афокальную систему 2 и преобразуется ею в параллельный пучок световых лучей, который проходит второе плоское зеркало 3, разделительную плоскопараллельную пластину 4, поступает в контролируемую телескопическую систему 5, где проходит окуляр 6 и объектив 7, падает на первое плоское зеркало 8, отражается от него, проходит в обратном направлении контролируемую телескопическую систему 5, падает на разделительную плоскопараллельную пластину 4 и делится ею на две части. Одна часть пучка световых лучей проходит разделительную плоскопараллельную пластину 4, а другая часть отражается от нее и поступает в блок регистрации, где через фокусирующий объектив 9 поступает в фотоприемное устройство 10. Пучок световых лучей, прошедший разделительную плоскопараллельную пластину 4, падает на второе плоское зеркало 3, отражается от него и снова проходит разделительную плоскопараллельную пластину 4, поступает в контролируемую телескопическую систему 5, где проходит окуляр 6 и объектив 7, падает на первое плоское зеркало 8, отражается от него, проходит в обратном направлении контролируемую телескопическую систему 5, падает на разделительную плоскопараллельную пластину 4 и снова делится ею на две части. Одна часть этого пучка световых лучей проходит разделительную плоскопараллельную пластину 4, а другая часть отражается от нее и поступает в блок регистрации, где через фокусирующий объектив 9 поступает в фотоприемное устройство 10. Этот процесс повторяется бесконечное число раз. Таким образом, в блок регистрации поступает большое количество пучков световых лучей, отраженных от разделительной плоскопараллельной пластины 4. Соответствующие им световые волны интерферируют, образуя многолучевую интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос. После получения интерференционной картины и регистрации ее фотоприемным устройством 10 блока регистрации проводят анализ состояния фокусировки телескопической системы 5 по общему искривлению интерференционных полос, которое устраняют путем продольного смещения окуляра 6 телескопической системы 5; оставшиеся местные искривления интерференционных полос показывают наличие в телескопической системе 5 остаточных волновых аберраций.

При контроле объективов сначала устанавливают в рабочую ветвь интерферометра после разделительной плоскопараллельной пластины 4 вспомогательный высококачественный объектив с небольшим входным зрачком, а затем по ходу лучей устанавливают и контролируемый объектив таким образом, чтобы их фокусы были совмещены. В этом случае они образуют телескопическую систему. После получения интерференционной картины и регистрации ее фотоприемным устройством 10 блока регистрации проводят анализ состояния фокусировки этой телескопической системы по общему искривлению интерференционных полос, которое устраняют путем продольного смещения либо вспомогательного высококачественного объектива с небольшим входным зрачком, либо контролируемого объектива; оставшиеся местные искривления интерференционных полос показывают наличие волновых аберраций испытуемого объектива. Благодаря использованию вспомогательного высококачественного объектива данный интерферометр обеспечивает контроль объективов с большими входными зрачками. В этом случае необходимо применять первое плоское зеркало 8 также большого диаметра.

С целью выявления характера интерференционной картины, формируемой предлагаемым интерферометром, был проведен контроль телескопической системы с входным зрачком объектива, равным 70 мм. При этом плоские зеркала 3 и 8 интерферометра имели коэффициенты отражения р, близкие к значению 0.9, а разделительная плоскопараллельная пластина 4 не имела полупрозрачного покрытия. В качестве фотоприемника 10 блока регистрации использовалась фотокамера с монитором. Полученные интерферограммы приведены на фиг.2 и фиг.3. Интерферограммы на фиг.2 относятся к состоянию, когда телескопическая система расфокусирована: при этом интерферограмма на фиг.2а соответствует настройке интерферометра на бесконечно широкую полосу, а на фиг.2б - на полосы конечной ширины. На фиг.3 приведены интерферограммы для телескопической системы, сфокусированной посредством продольного смещения окуляра на бесконечность (для формирования телескопической системой плоского волнового фронта); интерферограмма на фиг.3а соответствует настройке интерферометра на бесконечно широкую полосу, а на фиг.3б - на полосы конечной ширины. Настройка интерферометра на бесконечно широкую полосу (плоские зеркала 3 и 8 параллельны между собой) и на полосы конечной ширины (плоские зеркала 3 и 8 образуют двугранный угол) осуществлялась угловыми наклонами первого плоского зеркала 8. Для оценки погрешностей телескопической системы в данном случае удобнее использовать настройку на полосы конечной ширины. Как видно из интерферограмм, приведенных на фиг.2б и фиг.3б, в данном интерферометре формируется интерференционная картина с узкими светлыми полосами, что характерно для многолучевой интерференции. Как видно из интерферогаммы на фиг.2б искривление светлых полос составляет около одного интервала между полосами, т.е. изменение разности хода Δ для интерферирующих волн, прошедших расфокусированную телескопическую систему, равно около одной длины волны λ света (λ=0.6328 мкм). Измерение стрелки прогиба в местах искривления интерференционных полос на интерферограмме, изображенной на фиг.3б, а также определение погрешности этого измерения проводились с помощью двухкоординатного измерителя перемещений ДИП-

1. Из этих измерений следует, что величина наиболее заметного местного смещения (искривления) светлой полосы, проходящей в центральной части изображения интерференционной картины, составляет 0.1 периода следования светлых полос, а погрешность наведения перекрестия измерителя перемещений ДИП-1 на середину светлой полосы составила величину 0.003 интервала между этими полосами. Отсюда следует, что остаточная волновая аберрация, вносимая контролируемой телескопической системой, равна 0.1 λ; при этом погрешность ее определения равна 0.003λ. Полученное значение погрешности значительно меньше (более чем в десять раз) погрешности измерений известного интерферометра.

Таким образом, предложенный интерферометр действительно обладает более высокой точностью контроля телескопических систем и может быть использован для аттестации телескопических систем, предназначенных для формирования высококачественных плоских волновых фронтов. Очевидно, что он может быть использован и для аттестации объективов, включая и объективы с большими входными зрачками.

Интерферометр содержит монохроматический источник света и последовательно установленные афокальную систему для формирования расширенного параллельного пучка световых лучей, разделительную плоскопараллельную пластину, ориентированную под углом к параллельному пучку световых лучей, первое плоское зеркало с отражающим покрытием, обращенным к разделительной плоскопараллельной пластине, и установленное с возможностью изменения угла наклона к параллельному пучку световых лучей, прошедшему разделительную плоскопараллельную пластину, второе плоское зеркало, установленное с возможностью изменения угла наклона, и блок регистрации, установленный в пучке световых лучей, отраженном последовательно от первого плоского зеркала и разделительной плоскопараллельной пластины, и содержащий фокусирующий объектив и фотоприемное устройство. Второе плоское зеркало установлено между афокальной системой и разделительной плоскопараллельной пластиной, его отражающее покрытие выполнено слабопропускающим и обращено к отражающему покрытию первого плоского зеркала. Технический результат - повышение точности контроля фокусировки и остаточных волновых аберраций телескопических систем и объективов за счет интерференции световых волн, многократно прошедших контролируемые телескопическую систему или объектив. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Интерферометр для контроля телескопических систем и объективов, содержащий монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу лучей афокальную систему для формирования расширенного параллельного пучка световых лучей, разделительную плоскопараллельную пластину, ориентированную под углом к параллельному пучку световых лучей, первое плоское зеркало с отражающим покрытием, обращенным к разделительной плоскопараллельной пластине, и установленное с возможностью изменения угла наклона к параллельному пучку световых лучей, прошедшему разделительную плоскопараллельную пластину, а также второе плоское зеркало, установленное с возможностью изменения угла наклона, и блок регистрации, установленный в пучке световых лучей, отраженном последовательно от первого плоского зеркала, а затем от разделительной плоскопараллельной пластины, и содержащий фокусирующий объектив и фотоприемное устройство, отличающийся тем, что второе плоское зеркало установлено между афокальной системой и разделительной плоскопараллельной пластиной, при этом его отражающее покрытие выполнено слабопропускающим и обращено к отражающему покрытию первого плоского зеркала.

2. Интерферометр для контроля телескопических систем и объективов по п.1, отличающийся тем, что разделительная плоскопараллельная пластина выполнена без полупрозрачного покрытия.