ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ВЫПУКЛЫХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ Российский патент 2018 года по МПК G01B9/02 G01B11/24 G01M11/02 

Изобретение относится к технике измерений оптических характеристик оптическими средствами и может быть использовано при конструировании интерферометров для измерения формы выпуклых гиперболических поверхностей, в частности - зеркал телескопов.

Известны интерферометры для контроля выпуклых гиперболических поверхностей, в том числе крупных гиперболических зеркал (Коломийцев Ю.В. Интерферометры. – Л.: Машиностроение, 1976, с. 218-220, рис. 103-д). Рабочая ветвь типовой схемы интерферометра содержит кроме контролируемой поверхности 1 образцовое сферическое зеркало 2, аттестованное с высокой точностью, разделительный кубик 3 и объектив 4. Центр кривизны С поверхности зеркала совмещен с фокусом F₂ контролируемой поверхности. Объектив 4 собирает пучок лучей в другом фокусе F₁ гиперболической поверхности 1. Объектив 4 установлен до разделительного кубика 3 с целью минимизации сферической аберрации. Пучок лучей дважды отражается от контролируемой поверхности, что удваивает чувствительность метода. Однако из-за наличия отверстия в образцовом зеркале остается непроверенным небольшой центральный участок поверхности 1.

Ближайшим аналогом изобретения является интерферометр для контроля качества выпуклых крупногабаритных гиперболических зеркал телескопов Кассегрена (авт. св. SU 523274, опубл. 30.07.1976). Интерферометр состоит из лазерного осветителя, объектива, светоделительного кубика и наблюдательного регистрирующего устройства, оптических узлов эталонной и рабочей ветвей, причем рабочая ветвь содержит сплошную менисковую линзу с равными радиусами сферических поверхностей, при этом центр кривизны вогнутой поверхности линзы совмещен с мнимым геометрическим фокусом контролируемого зеркала, а изображение источника света расположено в переднем фокусе выпуклой поверхности линзы. Вогнутая поверхность линзы имеет полупрозрачное зеркальное покрытие, поэтому линза выполняет функцию эталонного зеркала в интерферометре-аналоге, но не имеет центрального отверстия, что исключает основные недостатки, а именно невозможность проверить центральную зону гиперболоида. Менисковая линза, заявленная в прототипе, имеет равные радиусы и поэтому не позволяет контролировать разные зоны поверхности контролируемого зеркала за счет ее вращения или перемещения вокруг контролируемого зеркала. Поэтому менисковая линза должна иметь такой же диаметр, что и проверяемое изделие, и это приемлемо для сравнительно малых диаметров зеркал. При контроле зеркал телескопов экстремально больших диаметров (свыше 2 м) это создает практически непреодолимые трудности.

Задача изобретения заключается в создании интерферометра для контроля формы экстремально больших выпуклых гиперболических зеркал.

Поставленная задача достигается тем, что в интерферометре для измерения формы выпуклых гиперболических зеркал, содержащем лазерный осветитель, объектив, светоделительный кубик, наблюдательное регистрирующее устройство, оптические узлы эталонной и рабочей ветвей с менисковой линзой, установленной над контролируемой поверхностью зеркала, в отличие от известного, менисковая линза выполнена концентрической, меньшего, чем зеркало, габарита, при этом центр кривизны ее сферических поверхностей совмещен с мнимым геометрическим фокусом гиперболической поверхности зеркала, кроме того, линза имеет возможность вращения вокруг мнимого геометрического фокуса.

Выполнение менисковой линзы сравнительно малого диаметра и ее вращение вокруг мнимого фокуса позволяет по дискретно полученным интерферограммам сделать заключение о качестве всей формы зеркала.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - общая схема интерферометра;

фиг. 2 - конструктивные параметры оптической схемы в двойном ходе лучей интерферометра для контроля формы деформированного выпуклого гиперболоида M2-ELT;

фиг. 3 - остаточная волновая аберрация в двойном ходе;

фиг. 4 - трехмерное представление формы волнового фронта в двойном ходе в плоскости анализа.

Интерферометр (фиг. 1) состоит из следующих основных узлов: осветительной ветви, включающей лазерный осветитель 1 и объектив 2, светоделительного кубика 3 с полупрозрачной гипотенузной гранью, оптических узлов эталонной ветви со сферическим зеркалом 4 и рабочей ветви, в которой помещены измеряемое зеркало 5 с выпуклой гиперболической поверхностью и над ней - менисковая линза 6, значительно меньшего, чем зеркало, диаметра с концентрическими сферическими поверхностями, обращенными вогнутостью к зеркалу. Указанные ветви расположены по трем граням кубика 3, как это изображено на чертеже. Со стороны четвертой грани в наблюдательно-регистрирующей ветви расположено наблюдательно-регистрирующее устройство (анализатор формы волнового фронта) 7, включающее объектив сопряжения 8 и приемник излучения 9, в качестве которого могут выступать фотокамера, ПЗС-приемник, видеокамера и т.п. В варианте исполнения интерферометр располагается относительно контролируемого зеркала 5 таким образом, чтобы действительный фокус F₁ гиперболической поверхности зеркала находился перед светоделительным кубиком 3. Концентрическая линза 6 должна располагаться над зеркалом 5 таким образом, чтобы центры кривизны С₁ и С₂ ее сферических поверхностей с радиусами R₁ и R₂ были совмещены с мнимым фокусом F₂ гиперболической поверхности зеркала, при этом линза 6 имеет возможность вращения вокруг этого мнимого фокуса F₂ с тем, чтобы располагаться над любым участком контролируемой поверхности. Средство вращения линзы, как и самого зеркала, может быть любым, например электродвигатель. При диаметре зеркала от 2 до 4 м диаметр линзы может быть в пределах от 0.6 до 1 м.

Интерферометр действует следующим образом. Монохроматический световой пучок, выходящий из лазера 1, фокусируются объективом 2 в точку действительного фокуса F₁ контролируемой поверхности, сферический волновой фронт проходит через светоделительный кубик 3 и делится на два волновых фронта, один из них идет в эталонную ветвь к зеркалу 4, а другой в рабочую ветвь на контролируемую поверхность зеркала 5, проходя через концентрическую линзу 6, падает по нормали и отражается от контролируемой поверхности, далее отражается от внутренней поверхности концентрической линзы 6 и возвращается по тому же пути в светоделительный кубик 3, отражаясь от грани которого направляется в объектив регистрирующей ветви интерферометра, где интерферирует с волновым фронтом эталонной ветви, проходящим через тот же объектив, интерференционная картина регистрируется анализатором волнового фронта. Регистрируется полученная интерферограмма, содержащая погрешности формы контролируемого зеркала. Далее поворачивают контролируемую поверхность вокруг оптической оси, снова фиксируют интерферограмму. Таким образом, получают серию интерферограмм, которые покрывают всю поверхность и имеют общие области, с помощью которых можно построить общую карту волнового фронта всей поверхности, используя метод переналожения.

В частном случае для сравнительно малых диаметров контролируемой поверхности концентрическая линза позволяет проверить всю поверхность за один прием. При этом целесообразно выполнить концентрическую линзу практически афокальной, имеющей радиусы первой и второй поверхностей R₁ и R₂, которые связаны соотношением d=n(R₁-R₂)/(n-1), где n - показатель преломления линзы, d - толщина линзы вдоль оптической оси. В варианте исполнения оптическая сила линзы равна нулю.

В качестве примера в таблице (фиг. 2) приведены конструктивные параметры схемы для контроля формы выпуклого гиперболоида вторичного зеркала М2 телескопа ELT (Extremly Large Telescope - Экстремально Большой Телескоп). Световой диаметр D_св=4155 мм, радиус кривизны при вершине R₀=8810 мм, коническая константа k=-2.208857 с учетом коэффициента деформации а₂=-5.198196Е-16, в двойном ходе лучей. Диаметр линзы в расчетах 2060 мм и толщина линзы 40 мм. Фактический размер линзы может быть 600-1000 мм. Таким образом интерферометр промышленно применим.

На фиг. 3 и 4 также приведены:

- остаточные волновые аберрации W относительно Р_х и Р_y;

- трехмерное представление формы волнового фронта в двойном ходе в плоскости анализа.

Интерферометр содержит лазерный осветитель и объектив в осветительной ветви, светоделительный кубик, оптические узлы эталонной и рабочей ветвей, анализатор формы волнового фронта в регистрирующей ветви. Над контролируемой поверхностью выпуклого гиперболического зеркала установлена менисковая концентрическая линза. Центры кривизны сферических поверхностей линзы совмещены с мнимым геометрическим фокусом гиперболической поверхности зеркала. Линза имеет возможность вращения вокруг мнимого фокуса контролируемого зеркала. Технический результат - возможность контроля формы экстремально больших выпуклых гиперболических зеркал диаметром более 2 м. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерферометр для контроля формы выпуклых гиперболических зеркал, содержащий лазерный осветитель, объектив, светоделительный кубик, наблюдательное регистрирующее устройство - анализатор формы волнового фронта, оптические узлы эталонной и рабочей ветвей с менисковой линзой в последней, отличающийся тем, что линза выполнена концентрической, линза установлена над контролируемой поверхностью зеркала, центры кривизны сферических поверхностей линзы совмещены с мнимым геометрическим фокусом гиперболической поверхности зеркала, линза имеет возможность вращения вокруг мнимого фокуса контролируемого зеркала.

2. Интерферометр для контроля формы выпуклых гиперболических зеркал по п. 1, отличающийся тем, что оптическая сила линзы равна нулю.