Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы измерения геометрических параметров и контроля формы выпуклых асферических зеркал оптических телескопов 10
1.1. Оптические системы современных крупных телескопов 10
1.2. Методы и приборы контроля формы выпуклых асферических поверхностей 17
1.2.1. Контактные механические и оптические методы 17
1.2.2. Бесконтактные оптические методы контроля формы выпуклых асферических поверхностей 25
1.3. Методы измерений и контроля параметров локальных зон 39
1.4. Методы измерений и контроля геометрических параметров 52
Выводы по первой главе 55
Глава 2. Методы измерения и контроля профиля выпуклых асферических поверхностей 56
2.1.1. Теоретические основы модифицированного метода Гартмана 57
2.1.2. Анализ точности модифицированного метода Гартмана 65
2.1.3. Экспериментальное исследование модифицированного метода Гартмана 70
2.2.1. Модифицированный метод пограничной кривой 76
2.2.2. Анализ точности модифицированного метода пограничной кривой 83
2.3.1. Интерференционный метод 85
2.3.2. Анализ точности интерференционного метода -3 Стр.
Выводы по второй главе 93
Глава 3. Модифицированный метод шателен - ландвера для измерения и контроля геометрических параметров выпуклых асферических поверхностей второго порядка 94
3.1. Теоретические основы метода 96
3.2. Анализ параметров интерференционной картины и методика определения основных геометрических параметров асферических зеркал второго порядка 100
3.3. Оптическая схема интерферометра для измерения и контроля геометрических параметров выпуклых АП второго порядка 104
Выводы по третьей главе 112
Общие выводы 113
Список литературы
- Методы и приборы контроля формы выпуклых асферических поверхностей
- Бесконтактные оптические методы контроля формы выпуклых асферических поверхностей
- Экспериментальное исследование модифицированного метода Гартмана
- Анализ параметров интерференционной картины и методика определения основных геометрических параметров асферических зеркал второго порядка
Введение к работе
Актуальность
Оптическая астрономия в начале XXI века испытывает бурное развитие. В настоящее время во многих странах мира идет интенсивное создание и строительство новых телескопов наземного и космического базирования, которые предназначены для принципиально новых астрофизических исследований космоса. За последние несколько лет в мире введено в эксплуатацию более десятка крупных телескопов, среди которых многие имеют диаметры главных зеркал 8... 10 м. Создание таких телескопов стало возможным благодаря общему технологическому развитию. При этом одним из решающих факторов является технология изготовления и контроля высокоточных оптических деталей большого диаметра.
Большинство разработанных методов контроля асферических поверхностей (АП) относится к контролю вогнутых поверхностей, для которых наиболее успешно применяются компенсационный и голографический методы. Наряду с успехами в области контроля АП существуют и большие проблемы, одна из которых - контроль формы выпуклых асферических зеркал крупных телескопов. Это связано с тем, что контроль качества выпуклых АП требует применения высокоточных вспомогательных элементов, диаметры которых в несколько раз (а иногда даже в несколько десятков раз) превышают диаметр самой контролируемой поверхности. Использование вспомогательных элементов больших диаметров значительно усложняет контроль и увеличивает стоимость изготовления зеркал.
Одной из возможных схем контроля выпуклых гиперболических зеркал является схема Хиндла, которая предусматривает применение вспомогательного сферического зеркала значительно большего диаметра, чем контролируемое зеркало. Например, для контроля выпуклого гиперболического зеркала телескопа Thirty Meter Telescope (ТМТ) диаметром 3046 мм потребуется сфера Хиндла диаметром примерно 7850 мм. Очевидно, что изготовление вспомогательных элементов таких размеров нецелесообразно со всех точек зрения, включая и экономическую.
Разработка новых методов контроля формы АП зеркал телескопов приобретает особую актуальность сегодня, когда астрономы все более остро ощущают необходимость создания крупных наземных телескопов нового поколения с главными зеркалами диаметром от 10 до 100 м и вторичными выпуклыми асферическими зеркалами с диаметром более одного метра. Предполагается, что телескопы нового поколения будут иметь главное зеркало сферической формы, так как изготовление большого количества одинаковых сферических сегментов несравнимо проще, чем изготовление нескольких различных видов внеосевых сегментов параболоида или гиперболоида вращения. Вторичные зеркала таких телескопов должны иметь форму
выпуклого эллипсоида или выпуклой АП высших порядков. Однако, контроль качества выпуклых АП указанной формы в настоящее время наиболее труден.
Нерешенной проблемой, как для вогнутых, так и для выпуклых асферических зеркал, является измерение их геометрических параметров, а именно: радиуса кривизны при вершине поверхности и конической константы.
Перечисленные проблемы контроля формы выпуклых АП свидетельствуют об отсутствии достаточно простого и надежного метода контроля формы выпуклых асферических зеркал, что является препятствием для создания высококачественных оптических телескопов. Поэтому такое состояние проблемы контроля послужило причиной поиска новых методов контроля формы выпуклых АП.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертационной работы является поиск, разработка и исследование возможности применения принципиально новых методов контроля формы выпуклых АП, пригодных для использования в производственных условиях и выгодных, как с экономической, так и с технической точек зрения.
Объектом исследования в диссертации являются асферические зеркала современных оптических телескопов.
Предмет исследования - модернизация методов измерения, контроля профиля и формы выпуклых асферических зеркал.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
проведен анализ известных методов контроля формы выпуклых АП с точки зрения возможности их применения для исследования выпуклых астрономических зеркал;
найдены, разработаны и исследованы возможности применения принципиально новых методов контроля формы выпуклых АП, не требующих использования крупногабаритных вспомогательных оптических деталей, поддающихся автоматизации в производственных условиях;
разработаны методы производственного и аттестационного контроля формы выпуклых АП, а также оптических систем приборов для реализации разработанных методов;
разработаны методы измерения геометрических параметров АП второго порядка.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования на основе впервые выявленных геометрических свойств АП, базирующихся на фундаментальных законах и явлениях геометрической и физической оптики.
Научная новизна исследований
Научная новизна исследований заключается в следующем:
предложены и разработаны методы контроля профиля выпуклых АП, базирующиеся на видоизмененном методе Гартмана, методе пограничной кривой и интерференционном методе;
разработан метод измерения геометрических параметров выпуклых АП вращения второго порядка на основе метода Шателен-Ландвера;
впервые выявлена и показана возможность измерения вершинного радиуса АП, несмотря на наличие отверстия или нерабочей зоны в центральной части асферического зеркала.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. методы измерения и контроля профиля выпуклых асферических зеркал,
основанные на освещении контролируемой поверхности световым пучком,
лучи которого направлены перпендикулярно оси симметрии контролируемой
детали, позволяют:
исследовать выпуклые поверхности в производственных условиях,
причем возможно измерение профиля не только полированных, но и шлифованных поверхностей,
снизить затраты благодаря использованию стандартных оптических, механических и оптико-электронных узлов,
сократить длительность технологических циклов в процессе формообразования АП;
2. на базе разработанных методов предложена оптическая система и
конструкция интерферометра, позволяющего производить измерения и
контроль шлифованных и полированных поверхностей непосредственно в зоне
их обработки.
Реализация и внедрение результатов
Результаты работы использованы в учебном процессе кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсе «Оптические измерительные и контрольно-юстировочные приборы» в виде лекций и семинарских занятий. Модернизированный метод Гартмана проверен экспериментально и реализован для контроля формы выпуклых сферических поверхностей в лабораторных условиях.
Апробация работы
Полученные в диссертации научные результаты обсуждались на заседании и научных семинарах кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» (РЛЗ) МГТУ им. Н.Э. Баумана, были доложены на четырех международных конференциях: «Прикладная Оптика 2006» (г. Санкт-Петербург), «Прикладная Оптика 2007» (г. Санкт-Петербург), Четырнадцатой
международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва), «Прикладная Оптика 2008» (г. Санкт-Петербург).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 работ, одна из них опубликована в журнале, входящем в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит список библиографических описаний цитируемых источников из 64 наименований. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков и 7 таблиц.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Видоизмененный метод Гартмана, метод пограничной кривой и интерференционный метод позволяют контролировать профиль шлифованных и полированных выпуклых АП крупных телескопов в производственных условиях с необходимой точностью.
Модифицированный метод Шателен-Ландвера, основанный на измерении параметров интерференционной картины на локальных участках асферического зеркала позволяет определить вершинный радиус асферической поверхности, несмотря на наличие отверстия в центральной зоне зеркала.
Разработаны методы контроля формы выпуклых АП, перспективные для автоматизации измерений в производственных условиях.
Методы и приборы контроля формы выпуклых асферических поверхностей
Контроль шлифованных поверхностей выпуклых зеркал осуществляют контактно-механическими средствами: профильными шаблонами, сферометрами, асферометрами и специальными измерительными машинами.
Накладные сферометры - индикаторы (рис. 1.3.) применяются при контроле формы отдельных участков шлифованных поверхностей непосредственно на рабочем месте [3,4]. Необходимую точность измерения стрелки zt индикаторы обеспечивают лишь в небольшом диапазоне - около 60 мкм, поэтому измерения выполняют относительно эталонной сферы. В качестве такой сферы используют сферическое пробное стекло, радиус кривизны которого незначительно отличается от радиуса контролируемой поверхности. Погрешность контроля накладными сферометрами -индикаторами, например такими, как накладной сферометр - ИЗС-8, может достигать 2...3 мкм, но обычно составляет 5... 10 мкм, поэтому накладные сферометры применяют лишь на первичных стадиях формирования оптической поверхности.
Если по условиям производства исследуемую деталь можно снимать со станка, то такой контроль может быть осуществлен на сферометрах, например, модели ИЗС-7. Методика измерений АП аналогична методике, применяемой при измерении сферических поверхностей. При использовании кольцевого сферометра с контактными шариками в результат контроля требуется введение поправок [5]. На сферометре ИЗС-7 можно проверять детали диаметром до 230 мм. При контроле деталей большой массы рекомендуется применять специальный противовес. При условии введения указанных выше поправок сферометр позволяет проверять поверхности с погрешностью до 1...2 мкм. При контроле АП с небольшим отступлением от плоскости настройка нуля сферометра производится по образцовой плоскости.
Значительно большую информацию о форме контролируемой поверхности представляют полярные координатомеры [6, 7] (рис. 1.4). Задача контроля сводится к определению приращения Ар радиуса р при изменении угла (р (1 - измеряемая АП; 2 - щуп; 3 - лимб). Однако, полярные координатомеры позволяют осуществлять контроль формы АП с диаметрами до 120 мм.
Высокоточные накладные сферометры позволяют исследовать профиль шлифованных поверхностей большого диаметра [3]. Сферометр 1 содержит три опоры, расположенные в одной плоскости (рис. 1.5). Одна из них — неподвижная, другая снабжена измерительным винтом, а третья представляет собой высокочувствительный щуп, позволяющий определить момент касания поверхности. Измерения выполняют последовательно от центра к краю поверхности.
Контроль поверхности сводится к определению стрелки прогиба поверхности для выбранных зон и сравнению с расчетными значениями этих же зон. Для проверки профиля в каком-либо сечении используют шаговый метод с последующим графо-аналитическим способом обработки результатов. Сначала сферометр устанавливают в положение, при котором его средняя опора (измерительный винт) совпадает с вершиной поверхности. В этом положении измеряют стрелку h] поверхности на зоне, заключенной между крайними опорными точками сферометра, затем последовательно, как показано на рис. 1.5, а, перемещают прибор вдоль проверяемого сечения на расстояние, равное половине длины / его шага, и при каждой остановке измеряют соответствующую стрелку h,.
Для нахождения точек исследуемого профиля используют понятную из рис. 1.5, б связь между высотой стрелки прогиба h и положением сферометра /, которая в общем виде может быть представлена уравнением: h = nll+2l2(n-l)+2l3(n-2)+...+2lp(n-p)+...+2l„, где п - порядковый номер стоянки сферометра, считая стоянку в вершине поверхности за нулевую.
При необходимости проверки положения большого числа точек поверхности применяют набор сферометров, длина которых составляет ряд /, 1/2, 1/4 и т.д. Использование набора сферометров, а не одного из них, имеющего меньшую длину, позволяет избежать накопления погрешности, суммарное значение которой пропорционально числу шагов.
Погрешность измерений составляет 0,3 ... 0,5 мкм и зависит от качества применяемого сферометра и от числа шагов при измерении. Основной недостаток способа — вероятность того, что может быть не обнаружена местная ошибка формы, если она локализована в небольшой зоне, размеры которой меньше шага измерений. Увеличение числа шагов приводит к увеличению трудоемкости измерений.
При изготовлении главных и вторичных зеркал телескопов применяют также кольцевые асферометры [8, 9]. Асферометр представляет собой жесткое кольцо, диаметр которого несколько меньше половины диаметра зеркала. По окружности кольца расположены три неподвижные опоры и одно или несколько измерительных устройств. Последние состоят из щупа и индикатора и имеют возможность перемещаться по кольцу. Точность отсчета индикаторов составляет ±0,05 мкм. Перед началом измерений асферометр помещают на эталонную сферическую или плоскую поверхность с целью установки измерительных устройств на нуль. Затем выполняют измерения, поочередно совмещая неподвижные опоры асферометра с вершиной поверхности.
Методу контроля с помощью кольцевого асферометра свойственны некоторые недостатки. Результаты измерений искажаются, если одна из опор асферометра установлена на участок зеркала, имеющий местную ошибку формы. Несмотря на указанные недостатки, а также на опасность повреждения поверхности при контроле, кольцевые асферометры применяют не только на стадии формообразования, но и при контроле полированных поверхностей [9].
Бесконтактные оптические методы контроля формы выпуклых асферических поверхностей
В основу разрабатываемых методов положена идея освещения контролируемой поверхности пучком параллельных лучей, направленных перпендикулярно оси симметрии поверхности. В этом случае ширина пучка не превышает стрелки прогиба z АП, а расстояние hKp от вершины поверхности до крайнего луча отраженного пучка равна примерно трем стрелкам прогиба, т.е. hKp 3z. Это утверждение справедливо для всех видов АП II порядка, а также для сферических поверхностей, что будет доказано ниже. Любой луч, отраженный от исследуемой поверхности отклоняется от своего первоначального направления на угол 2ср, где р — угол между нормалью АП в точке отражения луча и осью симметрии. Анализируя структуру отраженного пучка тем или иным методом можно определить профиль АП с достаточной для практики точностью. В этом заключается главный смысл исследований, объединяющий модифицированные метод Гартмана, метод пограничной кривой и интерференционный метод, рассмотренные в главе 2.
В отличие от известных методов, предлагаемые методы позволяют контролировать не всю поверхность в целом, а сравнительно малые ее участки, охватываемые узким пучком лучей, направленных перпендикулярно оси. Тем не менее, во многих случаях, контроль профиля в производственных условиях представляет важную информацию для управления технологическим процессом, а многократное измерение профиля в различных направлениях позволяет проверить практически всю поверхность. Эта возможность представляется при вращении контролируемой поверхности вокруг ее оси симметрии, при этом положение элементов прибора, реализующих метод измерения, остается неизменным. Анализируя результаты контроля множества меридиональных сечений контролируемой АП, можно дать достаточно точное заключение о форме всей поверхности в целом. Кроме того, углы падения лучей на контролируемую АП сравнительно велики, что открывает возможность контроля профиля шлифованных поверхностей в видимой области спектра.
Модифицированный метод Гартмана основан на анализе взаимного расположения центров световых пятен, которые образуются узкими пучками лучей, отраженными от контролируемой поверхности, причем пучки падают на поверхность в направлении, перпендикулярном оси ее симметрии.
Схема метода показана на рис. 2.1. На поверхность выпуклого зеркала 4, подлежащего исследованию, с помощью коллимируещего устройства 1 направляется пучок параллельных лучей, ограниченный диафрагмой 2 с линейным расположением отверстий, выделяющих узкие пучки лучей аналогично классическому методу Гартмана.
Лучи, проходящие через отверстия диафрагмы, отражаются от контролируемой поверхности и образуют в плоскости анализа 3 так называемую гартманограмму в виде ряда световых пятен.
При измерении координат центров пятен на основании известных геометрических параметров схемы можно определить отклонение формы исследуемой поверхности от теоретического вида. К параметрам схемы относятся: номинальные параметры исследуемой поверхности и конструктивные параметры диафрагмы Гартмана.
Пусть прямоугольная система координат YOZ расположена так, что ее начало О совмещено с вершиной поверхности, а ось Z совпадает с осью симметрии исследуемой поверхности (рис. 2.2). Предположим, что исследуемая поверхность представляет собой АП второго порядка. Меридиональная кривая поверхности вращения второго порядка описывается уравнением: y2=2rQz-(k + l)z2, (2.1) где к — коническая константа, к = - е , г0 - радиус кривизны при вершине АП. Для упрощения рассуждений предположим, что каждое отверстие диафрагмы выделяет один луч. Пусть точка М, имеющая координаты (у, z), -точка встречи луча с поверхностью. Известно, что если (р - угол между нормалью к поверхности в точке Ми осью OZ, то луч, отраженный от поверхности будет образовывать с осью OY угол 2(р.
Удаление h от вершины исследуемой поверхности точки пересечения луча с осью симметрии поверхности связано с текущими координатами у и z точки М соотношением h = ytg2 p-z. (2.2) Тангенс угла нормали АП к оси можно вычислить по формуле [41] Используя формулы (2.1), (2.2) и (2.3), определим положение отраженного луча h как функцию, зависящую от конической константы к и стрелки z прогиба поверхности. +l)z2-2r0(l + 2A:)z+3r02 (2+3k+k2)z2-2rJ2 + k)z + rf К } -60 Раскладывая формулу (2.4) на слагаемые и разделив числитель и знаменатель каждой дроби на г02, получим: k(k+l)z3 Формула (2.5) достаточно громоздка для проведения предварительного анализа. Поэтому приводим ее к приближенному виду с учетом того, что в астрономической оптике значения радиусов кривизны при вершине г0 порядка нескольких метров, а значения конических констант к и стрелок прогиба z имеют другой порядок малости h 3z. (2.6) Из (2.6) следует, что ошибки dz формы контролируемой поверхности отображаются в плоскости регистрации гартманограммы в тройном масштабе: Sh&3Sz, что свидетельствует о повышенной чувствительности метода к составляющей Sz ошибки формы АП.
На рис. 2.3 показаны графики зависимостей h(z), построенные по точной формуле (2.4) для АП, имеющих одинаковый радиус кривизны при вершине г0 = 4018,81 мм и отличающиеся значениями конической константы.
Экспериментальное исследование модифицированного метода Гартмана
Из анализа формул (2.24) и графика рис. 2.11, следует, что геометрическую границу светотени, можно определять по уровню интенсивности / = 0,25 IQ, где 1о — интенсивность излучения, падающего на кромку ножа. Интерес представляют положения максимумов и минимумов распределения интенсивности, которые находятся из уравнения (2.24) с помощью численных методов. Первый максимум интенсивности будет соответствовать уровню I = 1,371о (см. рис. 2.11) при w = —\ л: = 1,22, а у Xz дальнейшая осцилляция интенсивности будет происходить с затуханием и асимптотически приближаться к уровню интенсивности / = IQ.
Для интерпретации полученных зависимостей (описывающих дифракцию лучей, не испытывающих преломлений) применительно к задаче контроля выпуклых АП, обратимся к рис. 2.8. Положение границы светотени, определяемой согласно (2.24) по уровню интенсивности / = 0,25 IQ. будет совпадать с высотой луча h, определяемой по формуле (2.4) в методе Гартмана, причем координата z в формуле (2.4) соответствует положению ножа Фуко.
Для дальнейшего определения отклонения профиля контролируемой поверхности, можно воспользоваться приведенными в методе Гартмана формулами, которые в данном случае будут справедливы.
Модифицированный метод по своей сущности схож с методом Гартмана и отличается в особенностях распределения интенсивности на границе светотени, поэтому для оценки точности метода рассмотрим точность определения этой границы.
В работе [60] описаны экспериментальные данные определения границы светотени. В качестве приемника использовалась ПЗС-линейка Sony ILX703A с чувствительной площадкой длиной 28,7 мм, количеством пикселов - 2048. Математическая обработка сигнала проводилась с помощью интерполяции функции интенсивности излучения. Точность определения границы светотени составила 0,8 мкм.
Приведенные в главе 2.1.2 примеры анализа точности при погрешности определения центров пятен 1 мкм для трех зеркал - VISTA, LSST и ТМТ будут справедливы для метода пограничной кривой при погрешности определения границы светотени 1 мкм.
Существенным достоинством модернизированного метода пограничной кривой будет большая дискретизация исследуемого профиля контролируемого зеркала, так как в методе Гартмана количество отверстий ограничено, а при перемещении ножа Фуко можно задавать значительно меньший шаг.
Рассмотрим требования к точности определения положения z ножа Фуко. Для этого продифференцируем левую и правую части формулы (2.4) по переменным h и z, соответственно. Далее выразим dz как функцию от параметров контролируемого зеркала и ошибки dh: ±- tf-2r0(2+k)z+(l + k)(2+kyf (г02 - 2kr0z+к(к+l)z2 )(3г02 - 2(2 + k)r0z + (1+k)(2 + k)z2 ) К }
Определим такую погрешность dz, которая повлечет за собой ошибку dh 1 мкм положения границы светотени, то есть будет меньше точности определения границы светотени. В таблице 5 приведены данные о требуемой точности определения положения ножа Фуко, рассчитанных по формуле (2.25) для трех рассматриваемых вторичных зеркал. Таблица 5. Погрешность линейных перемещений ножа Фуко гщения, мм Погрешность измерения линейных перемещений, мкм 0...46 0,34 0...I86 0,29 0...222 0,27 Вторичное Диапазон nej зеркало VISTA TMT LSST Для обеспечения точности определения положения ножа Фуко порядка десятых долей микрометра при линейном перемещении в пределах полуметра должны быть использованы точные датчики положения. В качестве таких датчиков могут быть выбраны: измеритель перемещений лазерный (ИПЛ), производимый Новосибирским приборостроительным заводом, обеспечивающий дискретность линейного отсчета 0,001 мкм с относительной погрешностью, соизмеримой с долями микрометра или двухчастотный лазерный интерферометр, например, фирмы Хьюлет-Паккард модели 5500А [61]. Стоимость таких датчиков и систем достаточно высока, поэтому принятие решения об их использовании должно рассматриваться в том случае, когда другие системы и методы не позволяют обеспечить контроль с требуемой точностью либо принципиально непригодны. Следует отметить, что многие современные оптические метрологические лаборатории имеют в своем распоряжении интерферометрические или иные системы определения линейных перемещений указанной точности, которые могут быть использованы для определения положения ножа Фуко.
Анализ параметров интерференционной картины и методика определения основных геометрических параметров асферических зеркал второго порядка
Для практической реализации модифицированного метода Шателен-Ландвера предложен интерферометр, принципиальная оптическая схема которого представлена на рис. 3.4. Здесь: 1 — монохроматический источник света - лазер, 2 - фокусирующий объектив, 3 - точечная диафрагма, 4 -светоделительная куб-призма, 5 - объектив-монохромат, 6 - клиновидная пластина с эталонной плоскостью ЭП, система регистрации интерференционной картины, состоящая из объектива 7 и ПЗС приемника 8.
Особенность оптической системы интерферометра заключается в применении объектива-монохромата особой конструкции [64], формирующего строго плоский волновой фронт, а также в том, что система, -105 содержащая элементы 5, 4, 7 представляет собой телескопическую систему типа Кеплера. Входным зрачком этой системы является эталонная плоскость ЭП пластины 6, а ее изображение, построенное телескопической системой — выходным зрачком, в плоскости которого располагается приемник излучения, например матрица ПЗС или фотопластинка.
Входным зрачком интерферометра является отверстие диафрагмы 3, а ее изображения, построенные лучами, отраженными от контролируемой и эталонной плоской поверхности поз. 6 являются выходными зрачками интерферометра, расположенными в задней фокальной плоскости объектива 5 и передней фокальной плоскости объектива 7. Здесь следует заметить, что входные и выходные зрачки интерферометра в соответствии с общей теорией двулучевых интерферометров, не имеют ничего общего с соответствующими значениями традиционных оптических систем. Именно такая конструкция оптической системы интерферометра позволяет получить на фотоприемнике наиболее контрастную и энергетически насыщенную интерференционную картину. Очевидно, что в этом случае размер интерференционной картины равен диаметру выходного зрачка телескопической системы; в конкретной конструкции оптической системы этот диаметр равен 24 мм, т.к. угловое увеличение системы у = -4,17 , а диаметр рабочей зоны входного зрачка телескопической системы равен 100 мм. Так как осветительная часть интерферометра состоит из стандартных узлов - лазера, фокусирующего устройства, в качестве которого обычно используется микрообъектов с телецентрическим ходом лучей, а светоделительный кубик является частью регистрирующей ветви, особое внимание следует отнести к регистрирующей интерферограмму части.
Ниже рассмотрим ключевые этапы расчета регистрирующей части. Целью габаритного и аберрационного расчетов интерферометра является определение конструктивных параметров оптических компонентов, при которых их аберрационная коррекция обеспечивает получение достоверной интерференционной картины, проецируемой без искажений на приемник излучения. Так как источником оптического излучения является лазер, то целесообразно в качестве базовых схем объектива и окуляра использовать так называемый объектив-монохромат, преобразующий в случае объектива плоский волновой фронт в сферический, а в случае объектива поз. 7 рис. 3.4 формирующего параллельный пучок лучей от точечного источника. Конструкция объектива-монохромата, состоящего из двух линз показана на рис. 3.5. Линза 1 - выпукло-плоская (положительная), линза 2 — менисковая (отрицательная). Особенность хода лучей в объективе-монохромате состоит в том, что параксиальные лучи внутри отрицательной линзы должны идти строго параллельно оптической оси.
Удаление выходного зрачка 5"р составляет 60,02 мм от последней поверхности и соответствует плоскости установки ПЗС матрицы. В этом случае предметная плоскость, связанная с эталонной плоскостью пробного стекла будет оптически сопряжена с плоскостью ПЗС матрицы.
Как видно, из рис. 3.7 и 3.8 максимальное значение угловой аберрации составляет 3,3 10"4 радиан, соответствующее в угловой мере 1,15 , а волновая аберрация не превышает А/20, что вполне допустимо.
В тех случаях, когда необходимо иметь интерференционную картину сравнительно больших размеров (например, более 50 мм), целесообразно отказаться от телескопической системы, а вместо нее использовать систему с объективом сопряжения, установленным в задней фокальной плоскости объектива 5. В этой же плоскости расположены выходные зрачки интерферометра, что дает возможность получить необходимые и удобные для обработки размеры интерференционной картины, т.к. объектив сопряжения обеспечивает оптическое сопряжение плоскости локализации интерференционной картины с плоскостью ее регистрации. В роли объектива сопряжения может быть использована простая одиночная линза, т.к. она строит изображение интерференционной картины узкими пучками лучей. В качестве примера можно представить себе, что необходимые размеры интерференционной картины составляют 50 мм, в этом случае расстояние от объектива сопряжения до плоскости регистрации примерно равно 100 мм, а фокальное расстояние объектива сопряжения равно примерно 70 мм.
Аналогичным образом можно произвести расчет интерферометра для длины волны X = 10,6 мкм. В этом случае в качестве источника монохроматического излучения используется СОг лазер и оптические стекла типа ИКС, прозрачные для указанной длины волны, а в качестве приемника -микроболометр, например, марки NEC НХ3100 с площадкой 640x480 пикселов и размером пиксела 23,5 мкм. Использование интерферометра, рассчитанного на длину волны излучения X = 10,6 мкм, связано с увеличением ширины интерференционных колец. Положение интерферометра относительно контролируемой поверхности показано на рис. 3.9. На исследуемую зону асферической поверхности 7 устанавливают интерферометр целиком. Интерференционная картина возникает в результате интерференции лучей, отраженных от эталонной и асферической поверхностей и локализована в воздушном промежутке между ними.
