Способ сравнения радиусов кривизны оптических поверхностей с помощью интерферометра

(91 ( Ц 7895 А ТЕ,ь,д титут ти ии Бор М,Ли А Г.601 В 94 тво СС ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) М о гну М, 5 М 1(а Р. О22,1983, М 2, р,234.Патент США М 43811/24. 1983,Авторское свидетельсМ. 1670390, 1989,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 направ ляют его через полупрозрачную образцовую плоскую поверхность на вогнутое контролируемое зеркало, которое устанавливают в такие два положения. при которых его фокус 21/00 .Ъ д .Яе-- 1 У(54) СПОСОБ СРАВНЕНИЯ РА КРИВИЗНЫ ОПТИЧЕСКИХ ПОВ СТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРО (57) Изобретение относится к изм ной технике, Цель изобретения - ние точности и информативности заключается в формировании инт ционной картины с помощью отра от двух дополнительных поверхнос нения и измеряемой поверхности и и сравнении радиусов кривизны по рованной картине. Использование полнительных поверхностей по повысить тоность и производител з,п, ф-лы, 8 ил,ДИУСОВ ЕРХНОМЕТРА еритель- повышеСпособ ерференженного тей сравзлучения сформипопадает 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 диаметра, 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 соответ5 1 О 15 20 25 зеркал 30 50 ствующий елу коллимированный пучок, при больших относительных отверстиях оптики сферическая аберрация приводит к снижению точности фиксации расчетных положений контролируемого зеркала, Для 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 определятв приращения радиуса кривизны в пределах поверхности одного контролируемого зеркала, если оно асферическое, а дает усредненное по поверхности значение радиуса с погрешностью не менее 0,01%.Известен такке способ определения приращения 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 соответственна нэ контролируемую и образцовую поверхности, выравнивают длину хода в интерферирующих пучках до получения ахроматической полосы нулевого порядка, а по положению и форме полосы при известных приращениях длины хода в опорном пучке судят о приращении радиуса кривизны контролируемой поверхности,Недостатком этого способа является необходимость установления жесткой связи между интерферометрам 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; щественную погрешность в измерения, Жесткая связь реализуется в виде крупногабаритной жесткойрамы или платформы,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ сравнения радиусов кривизны сферических оптических поверхностей с помощью интерферометра, заключающийся в том, что сравниваемые поверхности освещают неколлимированным 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 интерфераметром и образцовой поверхностью осуществляют по одной крупногабаритной образцовой поверхности, что недостаточно, даже если диаметр этой поверхности сравним 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 радиусов крчлвизны поверхностей крупногабаритных зеркальных элементов составных адаптивных астрономических Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу, заключающемуся в том,что одновременна освещают исходным пучком поверхность сравнения и контролируемые поверхности, формируют интерференционную картину с помощью отраженного от поверхности сравнения опорного 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 нэ 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 мекду поверхностями сравнения и перемещают их до номинального совмещения на границах раздела5 10 20 ного пробного стекла 30 35 40 45 50 55 поверхностей концов ахроматических полос, а по отсутствию смещения ахроматических полос на поверхностях сравненияотносительно реперной линии контролируют постоянство длины хода в опорном пучке,Дополнительное повышение точности ипроизводительности достигают при поочередном формировании исходного пучка вмонохроматическом и белом свете,Дальнейшее повышение точности достигают тем, что обеспечивают дополнительный контроль длины хода в опорномпучке с помощью интерференционного измерителя перемещений, а положение дополнительных поверхностей сравнениякорректируют по изменению ориентацииинтерференционных полос на них.На фиг.1 - 8 приведены примеры конкретной реализации способа.В качестве поверхностей сравнения используют малоразмерные пробные стекла срадиусами кривизны. близкими по номинальному значению к радиусу кривизныконтролируемых поверхностей.На фиг,1 показана схема для реализации способа с применением интерферометра с рассеивающей пластинкой, Схемасодержит интерферометр 1, источник 2 белого цвета, обьектив 3. рассеивающая пластинка 4, светоделитель 5, пробные стеклаб - 8, жесткая рама 9. контролируемые зеркала 10 и 11. разгрузочные устройства 12 и13, 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. рассеивающую пластинку 4. центральное пробное стекло б, крайнее пробное стекло 7,жесткую раму 9, контролируемое зеркало11, разгрузочное устройство 12, приемноиэлучающий блок 19 измерителя перемещен нйй, интерференционный узел 20измерителя перемещений. возвратный отражатель 21,На фиг,3 показаны пробные стекла иконтролируемые зеркала, вид сверху, пробные стекла б - 8. контролируемые зеркала10 и 11, возвратный отражатель 21, прямаяреперная,линия 22 в поле зрения интерферометра.На фиг.4 показаны пробные стекла иконтролируемые поверхности при значительных отклонениях радиусов кривизныпробных стекол от номинального значения,вид сверху: пробные стекла б - 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 сравнения, вид сверху; пробные стекла б - 8, контролируемые зеркала 10 и 11, жесткая рама 9, возвратный отражатель 21, прямая реперная линия 22.На фиг.б приведен пример реализации 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 1, пробные стекла б - 8. жесткая рама 9 контролируемое зеркало 10. дополнительное контролируемое зеркало 11.На фиг,7 приведен пример реализации способа для контроля сборки асферического составного главного зеркала астрономического телескопа, где показаны; интерферометр 1, рассеивающая пластинка 4, пробные стекла б - 8, элементы 10, 11 и 23 составного зеркэла. привод 24 центральНа фиг,8 показано расположение пробных стекол и зеркальных элементов при контроле сборки составного зеркала, вид сверху; пробные стекла б -8, периферийные зеркальные элементы 10, возвратный отражатель 21, центральный зеркальный элемент 23, дополнительные пробные стекла 25.В интерферомегре 1 (фиг,1) узкий опорный пучок от источника 2 белого света фокусируется объективом 3 через рассеивающую пластинку 4 и светоделитель 5 в вершину центрэльного пробного стекла б. При прохождении через рассеивающую пластинку 4 пучок частично рассеивается, образуя широкий расходящийся рабочий пучок. Рабочий пучок проходит через свето- делитель 5 и освещает систему из трех малоразмерных пробных стекол б - 8, закрепленных нэ 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 отклоняются светоделителем 5 и интерферируют после прохождения через рассеивающую пластинку 14, идентичную пластинке 4. Контролируемые зеркала 10 и 11 располагают так, чтобы их диаметрэльные сечения и диаметрэльные сечения пробных стекол лежали на одной прямой в поле зрения интерферометра. Подвижками и робных стекол б - 8 добиваются появления нэ их поверхностях прямых интерференционных полос. Убеждаются, что радиус кривизны формиру5 10 15 20 25 30 40 емой сферы сравнения, определяемый расстоянием от рассеивающей пластинки 4 довершины центрального стекла 6, находитсяв пределах допуска, установленного на абсолютное значение радиуса кривизны контролируемых поверхностей, При необходимости вводят поправку в осевое положениеинтерферометра 1 или пробного стекла 6,После выполнения указанных операций поверхности пробных стекол 6 - 8 и интерферометр 1 определяют в пространствеположение сферы сравнения, Относительносформированной сферы реализуется возможность сравнения радиусов кривизны поверхностей крупногабаритных зеркальныхповерхностей на позициях 10 и 11,Подвижками зеркал 10 и 11 фазируют ихс системой пробных стекол 6 - 8 до номи нального совмещения на границах разделаповерхностей концов прямых ахроматических полос на пробных стеклах с концамиахроматических полос на контролируемыхзеркалах, По форме полос на контролируемых зеркалах определяют отклонение их радиусов кривизны.На этапе предварительной юстировкисистемы пробных стекол 6 - 8 и в дальнейшем при точных измерениях и фаэировкеповерхностей используют вместо источника2 белого света лазер 15, поворотные зеркала 16 и 17 и телескопическую систему 18,. Дополнительную информацию о положении центрального пробного стекла отно-сительно интерферометра, аследовательно, о стабильности значения радиуса кривизны сферы сравнения получаютс помощью интерференционного измерителя перемещений типа ИПЛ МП. включающего приемно-излучающий блок 19,интерференционный узел 20 и возвратныйотражатель 21 (фиг,2), Блок 19 и узел 20жестко связывают с интерферометром 1, авозвратный отражатель 21 - с центральнымпробным стеклом 6. Перед снятием с позиции контроля очередной пары контролируемых зеркал 10 и 11 при сфазированномсостоянии системы пробных стекол 6 - 8фиксируется цифровой отсчет на измерителе 19 - 21 перемещений.На фиг,З приведен вид сфазированныхконтролируемых зеркал и пробных стекол.Ахроматические полосы на пробных стеклах6 - 8 совмещенгя с реперной прямой линией22 в поле зрения интерферометра. Центрыкривизны зеркал 10 и 11 не совпадают сцентром кривизны сферь 1 сравнения, поэтому полосы на них искривлены. Отклонениерадиуса кривизны пропорционально отношению ЬЬ(В, где ЬЬ - стрелка прогиба полосс 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, Подвижками 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 интерферометра. Чувствительность к взаимным перемещениям интерферометра 1 и системы пробных стекол 6 - 8 определяется диаметром пробных стекол б, поперечным размером О контролируемых зеркал 10 и 11 и точностью измерения стрелки прогиба и интерференционных полос,Возможна реализация способа, обеспечивающая сравнение радиусов кривизны крупногабаритных зеркал непосредственно 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 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,Обычно централ ьн ый элемент составного главного зеркала телескопов имеет осевое отверстие (фиг,7), Для высокоточной сборки главного зеркала используют систему пробных стекол. сфазированных на жесткой 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. 45 . При сборке асферического составного зеркала контролируют приращение радиуса кривизны по зонам. Осевое перемещение пробного стекла 6 с помощью привода 24 приводит к смещению ахроматической полосы по кольцевым зонам асферической поверхности. На фиг,8 стрелками показано направление перемещения ахроматической полосы, Кроме крайних пробных стекол 7 и 8, устанавливают дополнительные пробные стекла 25, которые фазируют в соответствии с асферичностью крайней зоны зеркала.Формула изобретения 1, Способ сравнения радиусов кривизны оптических повн"хностей с помощью интерферометра, заключающийся в том, чтоодновременно 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 инртерференционных полос максимального контраста, одинаковых по частоте и ориентации, а о равенстве радиусов кривизны судят по изгибу полос на поверхностях, о т л и ч э ю щ ий с я 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 У 17 1 б сравнения до совпадения прямых ахроматических полос на них с реперной линией,контролируемые поверхности размещаютмежду поверхностями сравнения и переме 5 щают ихдо номинального совмещения награницах раздела поверхностей концов ахроматических полос, а по отсутствию смещения ахроматических полос наповерхностях сравнения относительно ре 10 перной линии контролируют постоянстводлины хода в опорном пучке,2. Способ по и 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что обеспечивают поочередное формирование исходного пучка в монохроматиче 15 ском и белом свете.3, Способ по и 2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что обеспечивают дополнительный контроль длины хода в пучке, отраженном отповерхностей сравнения, с помощью интер 20 ференционного измерителя перемещений,а по измерению ориентации интерференционных полос на дополнительных поверхностях сравнения корректируют положениеэтих поверхностей.251747895 с Корректор Э.Лончако актор М.Петрова Производствен аказ 2493 ВНИИПИ Госуда Составитель А.СерегиТехред М,Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101