Способ сравнения радиусов кривизны оптических поверхностей с помощью интерферометра Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

со

с

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и информативности. Способ заключается в формировании интерференционной картины с помощью отраженного от двух дополнительных поверхностей сравнения и измеряемой поверхности излучения и сравнении радиусов кривизны по сформированной картине. Использование двух дополнительных поверхностей позволяет повысить точность и производительность. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения приращения радиуса кривизны зон вогнутого асферического элемента составных адаптивных астрономических зеркал, а также для сравнения радиусов кривизны сферических заготовок этих зеркал путем интерферометрического сравнения пучков света, отраженного от контролируемых поверхностей и поверхности сравнения.

Известен интерферометрический способ измерения радиусов кривизны вогнутых зеркал, заключающийся в том что в интерферометре формируют коллимированный пучок монохроматического света и направляют его через полупрозрачную образцовую плоскую поверхность на вогнутое контролируемое зеркало, которое устанавливают в такие два положения, при которых его фокус

попадает на образцовую поверхность или на его собственную поверхность после многократных отражений от указанных поверхностей, по наличию прямых интерференционных полос на выходе интерферометра для двух заданных контролируемого зеркала фиксируют эти положения, а по результатам измерения расстояния между двумя заданными положениями рассчитывают абсолютное значение радиуса кривизны контролируемого зеркала.

Недостатком данного способа для контроля астрозеркал является необходимость использования образцового плоского зеркала такого же диамьтра, как у контролируемых зеркал. Кроме того, такого же диаметра должен быть коллимированный пучок. Однако даже если удалось бы решить проблему изготовления крупногабаритного плоского зеркала и сформировать соответVI VI

СО

о ел

стпующий ему колтимированный пучок при Попниих относительных отверстиях оптики сферическая аберрация приводит к снижению точности фиксации расчетных положений контролируемого зеркала Дня получения в интерферометре полос оптимального контраста на образцовую поверхность необходимо наносить специальное покрытие. При малом размере плоской образцовой поверхности освещается только центральная часть контролируемой поверхности Этим обуславливается низкая чувствительность фиксации расчетных положений Низкая производительность работы по способу связана с необходимостью последовательного контроля радиуса кривизны каждой поверхности расчета и сравнения значений Способ не позволяет определять приращения радиуса кривизны в пределах поверхности одного контроли- руемого зеркала, если оно асферическое , а дает усредненное по поверхности значение радиуса с погрешностью не менее 0.01 %

Из вестен также способ определения прираи1ения радиуса кривизны оптических поверхностей, заключающийся в том, что в интерферометре из исходного пучка белого света формируют широкий расходящийся рабочий и узкий сходящийся опорный пучки, направляют их соответственно на конт- ролируемую и образцовую поверхности, выравнивают длину хода в интерферирующих пучках до получения ахроматической полосы нулевого порядка, а по положению и форме полосы при известных приращени- ях длины хода в опорном пучке судят о приращении радиуса кривизны контролируемой поверхности.

Недостатком этого способа является необходимость установления жесткой свя- зи между интерферометром и образцовой поверхностью для сохранения постоянной длины опорного пучка, в противном случае во время измерений может произойти такое неконтролируемое измерение взаимного положения интерферометра и образцовой поверхности, которое внесет с/щественпую погрешность в измерения. Жесткая связь реализуется в виде крупногабаритной жесткой рамы или платформы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ сравнения радиусов кривизны сферических оптических поверхностей с помощью интерферометра, заклю- чающийся в том, что сравниваемые поверхности освещают неколлимирован- ным в белом свете излучением, формируют на каждой поверхности интерференционную картину с помощью образцовой поверхности, соответствующей допуску, интерферометр перемещают в центр кривизны образцовой поверхности до появления на ней прямых интерференционных полос и перемещают остальные поверхности до появления на всех поверхностях интерференционных полос максимального контраста одинаковых по частоте и ориентации, а о равенстве радиусов кривизны поверхностей судят по изгибу полос на них.

Недостатком известного способа является ограниченная точность работы, так как поддержание расстояния между интерферометром и образцовой поверхностью осуществляют по одной крупногабаритной образцовой поверхности, что недостаточно, даже если диаметр этой поверхности срзв ним с диаметром контролируемых поверхностей Кроме того, в указанном случае значительно снижается производительность контроля из-за необходимости предварительного изготовления крупногабаритной образцовой поверхности с заданным радиусом кривизны

Цель изобретения - повышение точности и производительности сравнения радиусовкривизныповерхностейкрупногабаритных зеркальных элементов составных адаптивных астрономических зеркал

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в том, что одновременно освещают исходным пучком поверхность сравнения и контролируемыеповерхности,формируют интерференционную картину с помощью отраженного от поверхности сравнения опор- ного пучка и отраженного от всех поверхностей рабочего пучка, интерферометр перемещают в центр кривизны поверхности сравнения до появления на ней прямых интерференционных полос, контролируемые поверхности перемещают до появления на всех поверхностях интерференционных полос максимального контраста, одинаковых по частоте и ориентации, а о равенстве радиусов кривизны судят по изгибу полос на поверхностях, формируют дополнительные интерференционные картины с помощью не менее -двух дополнительных поверхностей сравнения, размещенных в расходящемся рабочем пучке, формируют в поле зрения интерферометра прямую реперную линию, перемещают дополнительные поверхности сравнения до совпадения прямых ахроматических полос на них с реперной линией, контролируемые поверхности размещают между поверхностями сравнения и перемещают их до номи- н ального совмещения на границах раздела

поверхностей концов ахроматических полос, а по отсутствию смещения ахроматических полос на поверхностях сравнения относительно реперной линии контролируют постоянство длины хода в опорном пучке.

Дополнительное повышение точности и производительности достигают при поочередном формировании исходного пучка в монохроматическом и белом свете.

Дальнейшее повышение точности достигают тем, что обеспечивают дополнительный контроль длины хода в опорном пучке с помощью интерференционного измерителя перемещений, а положение дополнительных поверхностей сравнения корректируют по изменению ориентации интерференционных полос на них.

На фиг.1 - 8 приведены примеры конкретной реализации способа

В качестве поверхностей сравнения используют малоразмерные пробные стекла с радиусами кривизны, близкими по номинальному значению к радиусу кривизны контролируемых поверхностей

На фиг.1 показана схема для реализации способа с применением интерферометра с рассеивающей пластинкой Схема содержит интерферометр 1, источник 2 белого цвета, обьектив 3. рассеивающая пластинка 4, светоделитель 5 пробные стекла 6-8, жесткая рама 9. контролируемые зеркала 10 и 11. разгрузочные устройства 12 и 13, рассеивающая пластинка 14 лазер 15 поворотные зеркала 16 и 17, телескопическая система 18

На фиг.2 показан вид А-А на фиг.1

Схема содержит интерферометр 1 рас- свивающую пластинку 4 центральное пробное стекло 6, крайнее пробное стекло 7. жесткую раму 9, контролируемое зеркало 11, разгрузочное устройство 12 приемно- излучающий блок 19 измерителя перемещё- ний, интерференционный узел 20 измерителя перемещений возвратный отражатель 21

На фиг 3 показаны пробные стекла и контролируемые зеркала, вид сверху: пробные стекла 6-8. контролируемые зеркала 10 и 11, возвратный отражатель 21. прямая репернэя линия 22 в поле зрения интерферометра.

На фиг.4 показаны пробные стекла и контролируемые поверхности при значительных отклонениях радиусов кривизны пробных стекол от номинального значения, вид сверху: пробные стекла 6-8. контролируемые зеркала 10 и 11, возвратный отражатель 21, прямая реперная линия 22

На фиг.5 показаны пробные стекла и контролируемые поверхности, размещенные на общей раме, при смещении интерферометра из центра кривизны поверхностей 5 сравнения, вид сверху: пробные стекла 6 - 8, контролируемые зеркала 10 и 11, жесткая рама 9, возвратный отражатель 21, прямая реперная линия 22.

На фиг.6 приведен пример реализации 0 способа с наклонной осью интерферометра при контроле одного зеркала на технологической разгрузке в положении, соответствующем положению зеркала на станке при его обработке, где обозначено интерферометр 5 1. пробные стекла 6 - 8 жесткая рама 9, контролируемое зеркало 10. дополнительное контролируемое зеркало 11.

На фиг.7 приведен пример реализации способа для контроля сборки асферическо- 0 го составного главного зеркала астрономического телескопа, где показаны: интерферометр 1. рассеивающая пластинка 4, пробные стекла 6-8 элементы 10, 11 и 23 составного зеркала, привод 24 централь- 5 ного пробного стекла

На фиг 8 показано расположение пробных стекол и зеркальных элементов при контроле сборки составного зеркала, вид сверху пробные стекла 6-8, периферийные 0 зеркальные элементы 10, возвратный отражатель 21, центральный зеркальный элемент 23 дополнительные пробные стекла 25

В интерферометре 1 (фиг 1) узкий опор- 5 ный пучок от источника 2 белого света фокусируется объективом 3 через рассеивающую пластинку 4 и светоделитель 5 в вершину центрального пробного стекла 6. При прохождении через рассеивающую 0 пластинку 4 пучок частично рассеивается, образуя широкий расходящийся рабочий пучок Рабочий пучок проходит через светоделитель 5 и освещает систему из трех малоразмерных пробных стекол 6-8, 5 закрепленных на общей жесткой раме 9, и два контролируемых зеркала 10 и 11 в разгрузочных устройствах 12 и 13 После отражения от поверхностей зеркал и пробных стекол опорный и рабочий пучки отклоняют- 0 ся светоделителем 5 и интерферируют после прохождения через рассеивающую пластинку 14, идентичную пластинке 4. Контролируемые зеркала 10 и 11 располагают так. чтобы их диаметральные сечения и ди- 5 аметральные сечения пробных стекол лежали на одной прямой в поле зрения интерферометра Подвижками пробных стекол 6-8 добиваются появления на их поверхностях прямых интерференционных полос. Убеждаются, что радиус кривизны формируемой сферы сравнения, определяемый расстоянием от рассеивающей пластинки 4 до вершины центрального стекла б, находится в пределах допуска, установленного на абсолютное значение радиуса кривизны контролируемых поверхностей. При необходимости вводят поправку в осевое положение1 интерферометра 1 или пробного стекла 6. После выполнения указанных операций поверхности пробных стекол 6 - 8 и интерферометр 1 определяют в пространстве положение сферы сраенения. Относительно сформированной сферы реализуется воз- модность сравнения радиусов кривизны поверхностей крупногабаритных зеркальных поверхностей на позициях 10 и 11

Подвижками зеркал 10 и 11 фазируют их с системой пробных стекол 6 - 8 до номинального совмещения на границах раздела поверхностей концов прямых ахроматических полос на пробных стеклах с концами ахроматических полос на контролируемых зеркалах. По форме полос на контролируемых зеркалах определяют отклонение их радиусов кривизны.

На этапе предварительной юстировки системы пробных стекол 6 - 8 и в дальнейшем при точных измерениях и фазировке поверхностей используют вместо источника 2 белого света лазер 15. поворотные зеркала 16 и 17 и телескопическую систему 18.

Дополнительную информацию о положении центрального пробного стекла относительноинтерферометра,а следовательно, о стабильности значения радиуса кривизны сферы сравнения получают с помощью интерференционного измерителя перемещений типа ИПЛ МП-3. включающего приемно-излучающий блок 19, интерференционный узел 20 и возвратный отражатель 21 (фиг.2) Блок 19 и узел 20 жестко связывают с интерферометром 1. а возвратный отражатель 21 -- с центральным пробным стеклом 6 Перед снятием с позиции контроля очередной пары контролируемых зеркал 10 и 11 при сфазированном состоянии системы пробных стекол 6-8 фиксируется цифровой отечет на измерителе 19 - 21 перемещений

На фиг 3 приведен вид сфазированных контролируемых зеркал и пробных стекол. Ахроматические полосы на пробных стеклах 6-8 совмещены с реперной прямой линией 22 в поле зрения интерферометра Центры кривизны зеркал 10 и 11 не совпадают с центром кривизны сферы сравнения, поэтому полосы на них искривлены. Отклонение радиуса кривизны пропорционально отношению ДЬ/В, где ДЬ - стрелка прогиба полос с учетом знака: В - шаг полос

На фиг.4 штриховыми дугами показаны продолжения интерференционных полос на пробных стеклах 6 - 8 с большими отклонениями радиусов кривизны от номинального

значения. При малых размерах пробных стекол изгиб полос на них не заметен.

На фиг.5 штриховыми дугами показаны изгиб и смещение интерференционных полос на воображаемой сфере сравнения, По0 движками интерферометра или системы пробных стекол 6 - 8 на общей раме 9 добиваются совмещения участков ахроматической полосы на пробных стеклах с прямой реперной линией в поле зрения интерферо5 метра. Чувствительность к взаимным перемещениям интерферометра 1 и системы пробных стекол 6-8 определяется диаметром пробных стекол d. поперечным размером 0 контролируемых зеркал 10 и 11 и

0 точностью измерения стрелки прогиба h интерференционных полос

Возможна реализация способа, обеспечивающая сравнение радиусов кривизны крупногабаритных зеркал непосредственно

5 на обрабатывающем станке или на жесткой раме 9 при таком же положении разгрузочного устройства 12 что и на станке. На фиг.6 ось интерферометра 1 наклонена по отношению к вертикально ориентированной оси

0 контролируемого зеркала 10 Жесткая рама 9 может быть совмещена с основанием обрабатывающего станка. В этом случае нет необходимости многократно снимать обрабатываемую деталь 10 со станка.

5 Обычно центральный элемент составного главного зеркала телескопов имеет осевое отверстие (фиг.7). Для высокоточной сборки главного зеркала используют систему пробных стекол, сфазированных на жес0 ткой оправе главного зеркала (не показана) Центральное пробное стекло 6 располагают в отверстии центрального зеркального элемента 23, а пробные стекла 7 и 8 устанавливают по краям периферийных элементов 10.

5При сборке асферического составного

зеркала контролируют приращение радиуса кривизны по зонам. Осевое перемещение пробного стекла 6 с помощью привода 24 приводит к смещению ахроматической по0 лосы по кольцевым зонам асферической поверхности. На фиг.8 стрелками показано направление перемещения ахроматической полосы. Кроме крайних пробных стекол 7 и 8, устанавливают дополнительные пробные

5 стекла 25. которые фазируют в соответствии с асферичностью крайней зоны зеркала Формула изобретения 1. Способ сравнения радиусов кривизны оптических поверхностей с помощью интерферометра, заключающийся в том, что

одновременно освещают исходным пучком поверхность сравнения и контролируемые поверхности, формируют интерференционную картину с помощью отраженного от поверхности сравнения излучения исходного пучка и отраженного от всех поверхностей излучения исходного пучка, интерферометр перемещают в центр кривизны поверхности сравнения до появления на ней прямых интерференционных полос, контролируемые поверхности перемещают до появления на всех поверхностях инртерферен- ционных полос максимального контраста, одинаковых по частоте и ориентации, а о равенстве радиусов кривизны судят по изгибу полос на поверхностях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности, формируют дополнительные интерференционные картины с помощью не менее двух дополнительных поверхностей сравнения, размещенных в исходном пучке, формируют в поле зрения интерферометра прямую реперную линию, перемещают дополнительные поверхности

I 11 16

Г

4

/«/V ffySy У../fa/ /-/ijtffityffi

Фиг. 1 /I

0

5

0

5

сравнения до совпадения прямых ахроматических полос на них с реперной линией, контролируемые поверхности размещают между поверхностями сравнения и перемещают их до номинального совмещения на границах раздела поверхностей концов ахроматических полос, а по отсутствию смещения ахроматических полос на поверхностях сравнения относительно реперной линии контролируют постоянство длины хода в опорном пучке.

3,Способ по п.2, отличающийся тем, что обеспечивают дополнительный контроль длины хода в пучке, отраженном от поверхностей сравнения, с помощью интерференционного измерителя перемещений, а по измерению ориентации интерференционных полос на дополнительных поверхностях сравнения корректируют положение этих поверхностей.

А-А

1

19

// / / /.// ////7 MWФиг.2

фиа 5

-/Iff

Г

Фиг.6

Г

4

23 W Фиг. 1

15

15

7

8

К

8

Фиг. 8 #