способ измерения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала

Формула изобретения

Способ измерения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала, включающий формирование светового пучка, направление его на исследуемую поверхность, пространственное разделение пучка на два, регистрацию пространственных характеристик пучков и вычисление по ним радиуса кривизны, отличающийся тем, что световой пучок формируют параллельным, пучок разделяют после отражения от исследуемой поверхности, создают оптическую разность хода у разделенных пучков, получают интерференционную картину, а радиус кривизны R находят по ее характеристикам из выражения



при использовании оптического клина как устройства разделения,



при использовании плоскопараллельной пластины как устройства разделения,

где t - толщина пластины или клина по оптической оси;

d - расстояние между интерференционными полосами;

i - угол падения пучка на пластину или клин;

n - показатель преломления материала пластины или клина;

- угол поворота полос по отношению к направлению сдвига;

- длина волны света;

L - расстояние от контролируемого зеркала до плоскости регистрации;

знак "+" - для вогнутого зеркала, знак "-" - для выпуклого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической физики, конкретно к оптотехническим измерениям, и может найти применение в оптическом приборостроении при изготовлении длиннофокусных оптических зеркал, а также при их эксплуатации.

При создании современных телескопов наземного и космического базирования, лазерных систем, космической оптики остается актуальным вопрос высокоточного измерения оптических характеристик зеркал с большим радиусом кривизны.

Известен способ измерения больших радиусов кривизны (Креопалова Г.В., Лазарева Н.А., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987, с. 90-91), в котором формируют пучок света с известными характеристиками, направляют в оптическую систему и на основе пространственных характеристик отраженного пучка определяют радиус кривизны контролируемой оптической системы.

Способ не удовлетворяет современным требованиям по точности, так как, например, для радиуса кривизны R = 100 м погрешность измерения составляет 1 м (1%).

Известен способ определения фокусного расстояния длиннофокусных зеркал, выбранный нами в качестве прототипа (Патент РФ N 2072217, МПК G 01 M 11/00, приор. от 28.09.94), включающий формирование параллельного светового пучка, пространственное разделение его на два, отражение пучка от исследуемой поверхности, регистрацию пространственных характеристик обоих пучков в фокальной плоскости контролируемой системы и вычисление по ним фокусного расстояния и радиуса кривизны.

Способ также имеет недостаточно высокую точность (0,1-0,2%) и нетехнологичен, так как требует для проведения измерений размещение измерительных приборов в фокальной плоскости контролируемой оптической системы, что при больших радиусах кривизны чрезвычайно громоздко, а иногда вообще трудно выполнимо.

Нами теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что возможно высокоточное измерение радиусов кривизны длиннофокусных зеркал при переходе к интерферометрии сдвига и найденному методу обсчета полученной интерференционной картины.

Предлагаемый способ определения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала позволяет производить измерения больших радиусов кривизны вблизи контролируемой поверхности с погрешностью до 0,06-0,08%, что выше современного уровня в 1,5-2 раза.

Такой технический эффект достигнут, когда в способе измерения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала, включающем формирование светового пучка, отражение его от исследуемой поверхности, пространственное разделение пучка на два, регистрацию пространственных характеристик пучков и вычисление по ним радиуса кривизны, световой пучок формируют параллельным, разделяют пучок после отражения, создают оптическую разность хода у разделенных пучков, получают интерференционную картину, а радиус кривизны R находят по ее характеристикам из выражения:



при использовании оптического клина как устройства разделения,



при использовании плоскопараллельной пластины как устройства разделения,

где t - толщина пластины или клина по оптической оси;

d - расстояние между интерференционными полосами;

i - угол падения пучка на пластину или клин;

n - показатель преломления материала пластины или клина;

- угол поворота полос по отношению к направлению сдвига;

- длина волны света;

L - расстояние от контролируемого зеркала до плоскости регистрации.

Знак "+" - для вогнутого зеркала, знак "-" - для выпуклого.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего заявленный способ, где источник 1 излучения, светофильтр 2, конденсор 3, точечная диафрагма 4, объектив 5 коллиматора, контролируемое зеркало 6, пластина или клин 7, картина 8 в плоскости регистрации; d - расстояние между интерференционными полосами, i - угол падения пучка на пластину или клин, - угол падения пучка на контролируемую оптическую поверхность, - угол поворота полос по отношению к направлению сдвига.

Измерение радиуса кривизны по предлагаемому способу заключается в следующем.

Найденная зависимость радиуса кривизны длиннофокусных оптических систем и параметров интерференционной картины связывает большие оптические отрезки с расстояниями меду интерференционными полосами, которые характеризуются долями длины волны.

Для реализации условий зависимости на контролируемую поверхность направляют параллельный пучок лучей, чтобы иметь пучок с плоским волновым фронтом. Пучок делят пространственно на два после отражения от контролируемой поверхности, чтобы оба пучка несли информацию о ней, сдвигают пучки, создают оптическую разность хода лучей в сдвинутых пучках для получения интерференционной картины, в результате чего по характеристикам картины находят радиус кривизны контролируемого зеркала, используя выведенные зависимости.

В случае использования плоскопараллельной пластины в качестве устройства разделения пучков интерференционная картина представляет собой систему вертикальных полос, характеризуемых расстоянием d между их центрами. В случае использования клина картина также состоит из системы полос, развернутых на угол по отношению к направлению сдвига пучков.

Приведенные в формулах величины t, d, n, i, , современными методами измеряются с высокой точностью.

Возникшая возможность регистрации интерференционной картины вблизи контролируемой поверхности позволила определить отрезок L, составляющий доли метра, с малой погрешностью и тем самым уменьшить погрешности, связанные с вибрациями при больших измерительных расстояниях и турбулентностью атмосферы в протяженном измерительном тракте

Таким образом, повышение точности в предлагаемом способе достигается в конечном счете при использовании интерферометрии как метода, применение которого стало возможным при нахождении существующей зависимости радиуса кривизны контролируемой поверхности и параметров интерференционной картины, образуемой в результате взаимодействия пучков света после отражения от контролируемой поверхности с большим радиусом кривизны.

Исключение влияния аберраций осуществляется известными приемами.

Пример конкретного исполнения. На нашем предприятии на аттестованном стенде для оптотехнических испытаний крупногабаритной оптики были проведены измерения у сферического зеркала диаметром 1,5 м и радиусом кривизны примерно 50 м. В качестве источника использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм. Конденсором с фокусным расстоянием 100 мм лазерный пучок фокусировался на точечной диафрагме диаметром 0,05 мм, помещенной в фокальной плоскости объектива коллиматора с фокусным расстоянием 2 мм. Выходящий из коллиматора параллельный пучок лучей диаметром 60 мм направлялся на контролируемое зеркало под углом = 2^o30" к оптической поверхности, отражался от зеркала, направлялся под углом на клиновидную стеклянную пластину (из К8) толщиной t = 10,02 мм, расположенную на расстоянии 80 см от зеркала по оптической оси. Получаемая интерференционная картина наблюдалась на экране, отстоящем на расстоянии 20 см от пластины.

С помощью измерительного микроскопа, сфокусированного на плоскость экрана, измерялось расстояние между интерференционными полосами. Было произведено 3 серии измерений. Серии отличались изменениями угла (i) падения пучка на клиновидную пластину. В каждой серии измерение расстояния между интерференционными полосами производилось 10-12 раз. Для расчета радиуса кривизны использовалось среднее значение (d_ср.). Результаты измерений и расчета радиуса кривизны R по формуле приведены в таблице.

Оценим суммарную погрешность измерений. Основной вклад в эту погрешность вносит погрешность, связанная с измерением расстояния между интерференционными полосами. При соблюдении оптимальных условий наблюдения полос (высокий контраст, подбор увеличения микроскопа, отсутствие вибраций) проведение измерений не менее 10-12 раз дает погрешность измерения расстояния d/d = 310^-4. Толщина пластины измеряется с погрешностью t/t = 210^-4. Погрешность установки угла падения пучка на стеклянную пластину i/i и угла наклона полос по отношению к направлению сдвига пучков /, а также погрешность измерения показателя преломления материала пластины n/n и длины излучения в случае использования лазера / являются погрешностями второго порядка малости и в расчете суммарной погрешности во внимание не принимаются. Измерение расстояния L с помощью набора концевых мер было осуществлено с погрешностью не более L/L = 1-310^-4.

Таким образом, суммарная погрешность определения радиуса кривизны контролируемой поверхности составила 6-810^-4, т.е. 0,06-0,08%.

Полученные величины радиусов кривизны, приведенные в таблице, свидетельствуют о высокой воспроизводимости метода, поскольку отступления от среднего значения 49977 мм не превышают погрешности измерений.

Таким образом, предложенный способ измерения больших радиусов кривизны впервые позволил с высокой степенью точности не ниже 0,06 - 0,08% измерять большие радиусы кривизны длиннофокусных зеркал. Способ значительно технологичнее, так как, используя его, производят измерения в непосредственной близости от контролируемой оптической поверхности, что сокращает измерительные расстояния в 10-100 раз и тем самым значительно уменьшает погрешности, связанные с вибрациями и турбулентностью в измерительном тракте.

Предлагаемый способ найдет применение при создании высококачественных лазерных устройств, при разработке телескопов космического и наземного базирования, а также в практике оптотехнических измерительных лабораторий при создании длиннофокусных оптических систем разнообразного назначения с высокими требованиями к качеству.