СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ВНЕОСЕВОЙ АСФЕРИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ Российский патент 2023 года по МПК G01B11/24 G01B9/02 

Изобретение относится к интерференционным способам измерения формы оптических поверхностей и предназначено для контроля формы выпуклых асферических поверхностей, например, внеосевых телескопов в процессе их формообразования.

Для точного формообразования оптических поверхностей, особенно выпуклых асферических, необходима достоверная информация об отклонениях формы поверхности от заданной.

Известны многочисленные способы контроля осевых выпуклых асферических элементов, например, со вспомогательной сферой большего диаметра, чем контролируемая поверхность, которая называется схемой со сферой Хиндла, а также многочисленные модификации данной схемы (В.А. Зверев, К.Ю. Соболев, Г.И. Цуканова. Контроль формы выпуклых несферических поверхностей вращения, "Оптический журнал", 1996, №12, стр. 12-19). В классической схеме Хиндла световой пучок, выходящий из одного фокуса гиперболы, падает на контролируемую поверхность, от нее отражается расходящийся пучок с центром во втором фокусе, падает на вспомогательное сферическое зеркало, точка начала радиуса которого совмещена со вторым фокусом, по нормали к сфере, отражается обратно и возвращается в первый фокус.

Теоретически данным способом можно контролировать и внеосевую поверхность, но данный контроль будет весьма сложным в реализации при юстировке данной схемы контроля, практически нереализуемой.

Также известен способ контроля осевого выпуклого зеркала на проход через материал зеркала со стороны тыльной поверхности и отражением с внутренней части от выпуклой поверхности при проходе через материал зеркала (Т. Stewart McKechnie, "Interferometric test method for testing convex aspheric mirror surfaces," Proc. SPIE 7739, P. 77390Y-4 и патент "Метод контроля формы поверхности для крупногабаритных выпуклых оптических поверхностей" US 8,576,408 В2, опубл. 5.11.2013 г.). Для компенсации аберраций, возникающих при проходе через материал зеркала используется либо линзовый корректор, либо корректор волнового фронта на базе дифракционного оптического элемента (ДОЭ). Использование данного способа для контроля внеосевого зеркала также проблематично из-за сложной юстировки схемы контроля, учета неоднородности материала зеркала, которое не рассчитано, как правило, на работу в проходящем свете и т.д.

Используется также схема контроля опять же для осевых выпуклых асферических деталей со вспомогательной линзой по схеме Физо (Устройство для контроля выпуклых асферических оптических поверхностей высокоточных крупногабаритных зеркал, патент на полезную модель RU №169716, Опубл. 29.03.2017). В данном случае для контроля внеосевой поверхности требуется либо изготовление вспомогательной линзы гораздо большего размера и контролировать требуемую поверхность внеосевой частью поверхности данной линзы, либо изготавливать вогнутую внеосевую поверхность линзы обратную требуемой выпуклой внеосевой поверхности, что также сложно выполнить.

Известен способ контроля внеосевой части полной осевой поверхности детали с использованием дополнительных оптических элементов, линз, которые реализуют фактически схему Физо (Proc. of SPIE Vol.7018, рр:701818-1 - 701818-12). В данном случае световой пучок проходит через оптическую систему, которая на выходе имеет вогнутую асферическую поверхность, совпадающую с выпуклой асферической поверхностью контролируемой детали, интерферометр Физо использует отражение от контрольной поверхности, которая находится всего в нескольких мм от измеряемой поверхности, световой пучок падает по нормали к выпуклой асферической поверхности и возвращается обратно. Первая линза является осветительной и не влияет на результаты измерений.

В данном способе также требуется очень точная юстировка взаимного положения линз и двух линз относительно контролируемой части поверхности, что снижает точность контроля формы поверхности, кроме того, требуется изготовление двух вспомогательных линз довольно сложной конфигурации.

Известен способ контроля выпуклых асферических поверхностей осевых деталей с использованием осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ), или дифракционных оптических элементов (ДОЭ) (Оптический журнал, том 74, №6, 2007, стр. 44, рис. 1а). В данном случае для контроля выпуклой асферической поверхности используется ДОЭ, у которого в качестве подложки используется плоскопараллельная пластина (рис. 1а). При освещении ДОЭ точечным источником света на выходе его формируется сходящийся пучок лучей, каждый луч которого распространяется вдоль соответствующего ему расчетного положения нормали к выпуклой асферической поверхности. После отражения от поверхности лучи в автоколлимационном ходе формируют изображение, совпадающее с источником света. Расстояние между ДОЭ и вершиной контролируемой выпуклой поверхности выбирается на стадии расчета ДОЭ минимально возможным, чтобы свести к минимуму разницу световых диаметров выпуклой асферической поверхности и ДОЭ. Но в этом случае метод используется для контроля только исключительно осевых выпуклых асферических поверхностей.

Ближайшим к предлагаемому изобретению по технической сущности будет способ измерения формы и децентрировки асферической внеосевой поверхности оптической детали (RU 2758928 опубл. 03.11.2021) с помощью интерферометра и корректора волнового фронта в виде комбинированного дифракционного оптического элемента (ДОЭ). ДОЭ выполнен в виде круглой плоскопараллельной пластины с нанесенными на его поверхности дифракционными зональными структурами - основной пропускающей и двух дополнительных - центрирующей отражательной и фокусирующей отражательной, выполненных вокруг основной структуры в виде колец. ДОЭ устанавливают в фокусе эталонного объектива интерферометра и с помощью центрирующей структуры настраивают (юстируют) относительно интерферометра, а с помощью фокусирующей структуры настраивают ДОЭ с интерферометром относительно контролируемой асферической поверхности. Затем проводят стандартный интерферометрический контроль формы асферической поверхности, и в частности, ее децентрировки. Данная конструкция ДОЭ предназначена в основном для контроля осесимметричных и вогнутых поверхностей, а контроль внеосевых поверхностей затруднен или невозможен, он не выполнит поставленную задачу.

Задачей изобретения ставится создание более точного и производительного (ускоренного) способа контроля выпуклой внеосевой асферической поверхности зеркала телескопа с ДОЭ в качестве корректора волнового фронта

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в способе измерения формы асферической внеосевой поверхности оптической детали с помощью интерферометра и корректора волнвого фронта в виде круглого комбинированного дифракционного оптического жлемента (ДОЭ), включающего основную структуру и дополнительные центрирующую и фокусирующую структуры, с операциями настройки ДОЭ относительно интерферометра и оптической детали, в отличие от известного для измерения выпуклых внеосевых поверхностей используют ДОЭ диаметром больше габарита детали, с четырьмя центрирующими отражающими элементами в виде отрезков кольца по окружности ДОЭ, расположенных диаметрально противоположно, и центрального круга вокруг оси ДОЭ, а также с четырьмя отражающими фокусирующими элементами, расположенными по окружности ДОЭ диаметрально противоположно между четырех центрирующих элементов, при этом ДОЭ устанавливают в зоне охвата внеосевой поверхности и после его настройки регистрируют интерферограмму контролируемой поверхности, которую учитывают при доводке поверхности.

Технический результат обеспечивается, прежде всего, использованием в качестве корректора ДОЭ новой конструкции. Наличие разнесенных по окружности ДОЭ центрирующих элементов совместно с центральной круглой зоной позволяет быстро и точно отцентрировать ДОЭ относительно интерферометра, а с помощью четырех фокусирующих точек - отцентрировать контролируемую поверхность любой формы относительно ДОЭ. ДОЭ создает выходящий из него волновой фронт, падающий по нормали на поверхность контролируемой детали и соответствующий внеосевой форме этой внеосевой асферической поверхности, отражается от нее, снова проходит корректор волнового фронта и далее в интерферометре интерферирует с эталонным волновым фронтом, создавая волновой фронт отклонений формы поверхности от требуемой, который расшифровывается для проведения сеанса автоматизированного формообразования.

Изобретение поясняется чертежом, где

фиг. 1 - измерительная схема;

фиг. 2 - конструкция ДОЭ с основной и дополнительными структурами;

фиг.3 - расположение фокусирующих точек в области поверхности детали;

фиг. 4 - интерферограмма поверхности, полученная с помощью ДОЭ

фиг. 5 - карта волнового фронта, соответствующая интерферограмме;

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:

В схеме фиг. 1 для контроля выпуклой асферической поверхности 1 используется в качестве корректора волнового фронта ДОЭ 2, который устанавливают между поверхностью 1 и интерферометром 3.

При освещении ДОЭ точечным источником света интерферометра 3 на выходе его формируется сходящийся пучок лучей, каждый луч которого распространяется вдоль соответствующего ему расчетного положения нормали к выпуклой асферической поверхности 1. Данное расчетное положение предварительно выставляется и замеряется в соответствие с расчетными данными (расстояние от ДОЭ до поверхности зеркала).

Используемый ДОЭ 2 состоит из оптической круглой плоскопараллельной подложки 4 (фиг. 2), на которой нанесены основная дифракционная пропускающая структура 5 и вне ее дополнительные структуры - отражающие центрирующие 6 в виде четырех отрезков кольца по окружности ДОЭ, расположенных диаметрально противоположно, и центральной круговой зоны 7 на оси ДОЭ, а также четыре фокусирующие элемента 8 по окружности ДОЭ, расположенных диаметрально противоположно между центрирующими структурами 6.

Вначале настраивают и центрируют ДОЭ 2 в оправе относительно интерферометра 3 (фиг. 1) с помощью интерферограмм опорного волнового фронта от центрирующих структур 6 и 7 (фиг. 2), при минимальном количестве интерференционных полос, а относительно измеряемой поверхности 1 - с помощью четырех фокусирующих зон структуры 8 (фиг. 2), трансформируемых на поверхности детали в виде светящихся сфокусированных пятен в краевой области детали в заданных позициях (фиг. 3), что обеспечивает и гарантирует точность юстировки. Как правило, корректоры волнового фронта (что линзовые, что дифракционные) рассчитываются и изготавливаются для работы с конкретными асферическими поверхностями, при этом учитываются величина фокусного расстояния и крутизна асферики. Получают интерференционную картину, отраженную от контролируемой поверхности в автоколлимации. Расшифровывают данную картину и строят топографическую карту отклонений данной поверхности детали от требуемой для проведения сеанса формообразования.

В качестве примера рассмотрим контроль внеосевого зеркала диаметром 230 мм с вершинным радиусом 1200 мм, отступлением центра детали от оптической оси 184.8 мм с асферичностью 128.8 мкм. Контроль формы поверхности выполнялся в горизонтальной схеме (фиг. 1). ДОЭ расположен на подложке диаметром 240 мм (фиг. 2), что чуть больше диаметра зеркала. Основная структура 5 расположена в зоне от 24 до 117 мм. Отражающая центрирующая структура 6 расположена в четырех областях зоны от 110 до 117 мм и в центральной зоне 7 диаметром 23.8 мм. Фокусирующие элементы 8 для установки зеркала нанесены в зоне 113-119 мм. На фиг. 4 приведена интерферограмма на финишной стадии формообразования. На фиг. 5 приведена карта волнового фронта, отраженного от поверхности Здесь RMS - среднеквадратичное отклонение (с.к.о) волнового фронта от требуемого, P-V - полный размах отклонений, далее в таблице представлены величины регулярных ошибок астигматизма, триангулярной комы, комы 5-го порядка с соответствующими углами направлений, коэффициентов зональной ошибки, а также величины с. к.о. за вычетом данных регулярных ошибок.

В результате применения способа контроля внеосевой асферической поверхности оптической детали с ДОЭ появилась возможность достоверного контроля, привязанного точно к координатам поверхности, сократилось время обработки результатов контроля формы поверхности, а в ряде случаев формообразование внеосевых высокоасферичных поверхностей без данной разработки с использованием ДОЭ с математическим преобразованием вообще не представлялось возможным. В результате мы получаем форму поверхности, пригодную для расчетов сеансов автоматизированного формообразования малым инструментом.

Предложенный способ промышленно применим, т.к. в нем используются стандартные оптические компоненты. Комбинированные ДОЭ стабильно изготавливают в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск. По сравнению с прототипом способ выгодно отличается большей производительностью, ускоренным и более точным измерением формы внеосевых асферических поверхностей, т.е. он решает техническую задачу измерения формы внеосевой выпуклой асферической поверхности оптической детали.

Изобретение предназначено для контроля формы выпуклых асферических поверхностей внеосевых зеркал телескопов в процессе их формообразования. Способ осуществляют с использованием интерферометра и корректора волнового фронта в виде круглого дифракционного оптического элемента (ДОЭ) диаметром, большим габарита оптической детали. ДОЭ состоит из оптической подложки, на поверхности которой нанесены основная дифракционная пропускающая структура и дополнительные отражающие дифракционные структуры - центрирующие в виде центрального круга вокруг оси ДОЭ и четырех элементов в виде отрезков кольца по окружности ДОЭ, расположенных диаметрально противоположно, а также с четырьмя фокусирующими элементами, расположенными по окружности ДОЭ диаметрально противоположно между четырех центрирующих элементов. ДОЭ устанавливают в зоне охвата внеосевой поверхности, настраивают его с помощью дополнительных структур относительно интерферометра и вместе с интерферометром - относительно контролируемой поверхности. С использованием основной дифракционной структуры регистрируют интерферограмму контролируемой поверхности, которую учитывают при доводке поверхности. Технический результат – создание точного и производительного способа контроля. 5 ил.

Способ измерения формы внеосевой асферической поверхности оптической детали с помощью интерферометра и корректора волнового фронта в виде круглого комбинированного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), включающего основную структуру и дополнительные центрирующую и фокусирующую структуры, с операциями настройки ДОЭ относительно интерферометра и оптической детали, отличающийся тем, что для измерения выпуклых внеосевых поверхностей используют ДОЭ диаметром больше габарита детали, с четырьмя центрирующими отражающими элементами в виде отрезков кольца по окружности ДОЭ, расположенных диаметрально противоположно, и центрального круга вокруг оси ДОЭ, а также с четырьмя отражающими фокусирующими элементами, расположенными по окружности ДОЭ диаметрально противоположно между четырех центрирующих элементов, при этом ДОЭ устанавливают в зоне охвата внеосевой поверхности и после его настройки регистрируют интерферограмму контролируемой поверхности, которую учитывают при доводке поверхности.