Зеркально-линзовые компенсационные системы для контроля формы главных зеркал крупных оптических телескопов Граф Наталья Анатольевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Главные зеркала крупных оптических телескопов и методы контроля их формы 12

1.1. Характеристики асферических поверхностей 12

1.2. Параметры главных зеркал современных телескопов 14

1.3. Методы контроля формы главных зеркал оптических телескопов 15

1.4. Обзор известных компенсаторов 22

1.4.1. Линзовые компенсаторы 22

1.4.2. Зеркальные компенсаторы 34

1.4.3. Зеркально-линзовые компенсаторы 36

1.5. Выводы к главе 1 42

ГЛАВА 2. Новые зеркально-линзовые компенсационные системы и методики их расчета 43

2.1. Общие принципы расчета компенсационных систем 43

2.1.1. Поиск принципиальной схемы компенсатора 43

2.1.2. Расчет компенсационной системы на базе теории аберраций третьего порядка 43

2.1.3. Анализ компенсационной системы с учетом реальных аберраций 44

2.1.4. Расчет имитатора гиперболической поверхности 44

2.1.5. Оптимизация 45

2.2. Новые компенсационные системы и методики их расчета 51

2.2.1. Компенсационная система с трехкомпонентным зеркально-линзовым компенсатором 53

2.2.2. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с линзой Манжена 55

2.2.3. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с двумя линзами Манжена 58

2.2.4. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с корректором в виде одиночной линзы, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 60

2.2.5. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с корректором в виде склеенной линзы, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 67

2.2.6. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной внутри компенсатора 72

2.3. Результаты расчетов параметров новых зеркально-линзовых компенсационных систем 77

2.3.1. Компенсационная система с трехкомпонентным зеркально-линзовым компенсатором 77

2.3.1.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа БТА 77

2.3.1.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа Т170 79

2.3.1.3. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа VISTA 79

2.3.2. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с линзой Манжена 80

2.3.2.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа БТА 80

2.3.2.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа Т170 82 Стр.

2.3.3. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с двумя линзами Манжена 82

2.3.3.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа Т170 82

2.3.4. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с корректором в виде одиночной линзы, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 83

2.3.4.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа БТА 83

2.3.4.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа Т170 86

2.3.4.3. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа 2-m Wendelstein Fraimhofer 87

2.3.4.4. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа TNT 87

2.3.5. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с корректором в виде склеенной линзы, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 87

2.3.5.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа VISTA 87

2.3.5.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа ММТ 89

2.3.6. Компенсационная система с зеркально-линзовым компенсатором с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной внутри компенсатора 90

2.3.6.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа Т170 90

2.3.6.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа БТА 92

2.4. Анализ разработанных компенсационных систем 93

2.4.1. Зеркально-линзовый компенсатор с линзой Манжена 94

2.4.2. Зеркально-линзовый компенсатор с двумя линзами Манжена 95

2.4.3. Зеркально-линзовый компенсатор с корректором в виде одиночной линзы, расположенной вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 96

2.4.4. Зеркально-линзовый компенсатор с корректором в виде склеенной линзы, расположенной вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью 97

2.4.5. Зеркально-линзовый компенсатор с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной внутри компенсатора 98

2.5. Выводы к главе 2 99

ГЛАВА 3. Осевая дисторсия компесационных систем 101

3.1. Сущность понятия осевая дисторсия 101

3.2. Системы контроля формы крупногабаритных асферических зеркал с исправленной осевой дисторсией 104

3.2.1. Методика расчета ортоскопической системы интерферометра 106

3.2.1.1. Компенсационная система 106

3.2.1.2. Объектив измерительной ветви интерферометра 107

3.2.1.3. Объектив сопряжения измерительной ветви интерферометра... ПО Стр.

3.2.2. Результаты расчета конструктивных параметров

ортоскопической системы интерферометра 114

3.2.2.1. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа 2-m Wendelstein Fraunhofer 114

3.2.2.2. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа TNT 119

3.2.2.3. Для контроля формы поверхности главного зеркала телескопа VISTA 122

3.2.3. Погрешность определения координаты на контролируемой поверхности 125

3.3. Выводы к главе 3 128

Общие выводы 129

Список литературыq

• Методы контроля формы главных зеркал оптических телескопов
• Анализ компенсационной системы с учетом реальных аберраций
• Результаты расчетов параметров новых зеркально-линзовых компенсационных систем
• Методика расчета ортоскопической системы интерферометра

Введение к работе

Актуальность

В последнее время наблюдается интенсивное развитие астрономических приборов, и прежде всего - создание крупных оптических телескопов наземного и космического базирования. Главные зеркала современных телескопов являются асферическими, чаще параболическими или гиперболическими, с относительным отверстием от 1:2 до 1:1. Так, например, в 2009 году начал работу телескоп VISTA, главное зеркало которого является гиперболическим, имеет диаметр 4 метра, относительное отверстие 1:1 и асферичность порядка 0,9 мм. При этом допустимые отклонения формы поверхности от ее теоретического вида не превышают для видимой области спектра Х/20. Контроль формы поверхности таких зеркал представляется сложной задачей, так как требует разработки специальных оптических устройств, - в частности, при использовании компенсационного метода контроля, оптических компенсаторов, схемы которых были разработаны В.П. Линником, Д.Д. Максутовым, А. Оффнером, А. Кудэ, Д Т. Пуряевым и др. Однако большинство из известных схем компенсаторов не пригодны для контроля светосильных крупногабаритных асферических зеркал, так как либо не обеспечивают необходимую точность контроля поверхности, либо конструкция компенсатора оказывается сложной в изготовлении.

С ростом величины относительного отверстия и габаритных размеров главных зеркал современных телескопов существенное влияние на точность контроля формы их поверхности интерференционными методами оказывает так называемая осевая дисторсия, которая возникает при проецировании криволинейной асферической поверхности контролируемого зеркала на плоский фотоприемник и вызывает нарушение отношений координат точек на контролируемой поверхности к координатам их изображений в плоскости приемника. В случае применения компенсационного метода контроля происходит нелинейное преобразование интерференционной картины, приводящее к ее «сжатию» на краю выходного зрачка, а при применении голографического метода возникает это же явление, но в центральной его части. В обоих случаях это явление существенно затрудняет расшифровку интерференционной картины и приводит к ошибке в определении координат точек контролируемой поверхности. На практике традиционным стал математический учет осевой дисторсии, однако его применение значительно увеличивает временные затраты на принятие решения о корректировке технологического процесса.

Таким образом, возникла необходимость поиска и исследования новых возможностей компенсационного метода, основанного на применении зеркально-линзовых компенсаторов, имеющих, по результатам предварительного исследования, преимущества по сравнению с линзовыми и зеркальными системами для контроля формы поверхности светосильных крупногабаритных асферических зеркал.

Цель работы:

Повышение точности и производительности контроля формы поверхности светосильных крупногабаритных асферических зеркал компенсационным методом при обеспечении относительной простоты конструкции компенсатора.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработаны и исследованы новые зеркально-линзовые компенсационные системы для контроля формы поверхности главных зеркал крупных оптических телескопов.

2. Разработаны методики расчета параметров предложенных компенсационных систем и на их основе определены конструктивные параметры компенсаторов для контроля формы поверхности главных зеркал ряда современных телескопов.

3. Оценены преимущества разработанных компенсационных систем по отношению к существующим.

4. Разработана ортоскопическая система интерферометра для контроля формы поверхности светосильных крупногабаритных асферических зеркал.

5. Разработана методика расчета параметров ортоскопической системы интерферометра.

Методы исследования:

Методы расчета оптических систем, базирующиеся на теории аберраций третьего и высших порядков, аналитические и численные методы решения уравнений, методы оптимизации оптических систем.

Объект исследования - оптическая система контроля формы поверхности светосильных крупногабаритных асферических зеркал.

Научная новизна работы:

Впервые решена проблема устранения осевой дисторсии, которая возникает при контроле формы поверхности светосильных крупногабаритных асферических зеркал компенсационным методом.

Практическая ценность работы:

6. Разработаны методики расчета параметров новых зеркально-линзовых компенсаторов для контроля формы поверхности крупногабаритных асферических зеркал с относительным отверстием от 1:2 до 1:1, которые имеют меньшие габаритные размеры и являются более технологичными по сравнению с известными зеркально-линзовыми и линзовыми компенсаторами.

7. Разработана методика расчета зеркально-линзового компенсатора, который может использоваться в измерительной ветви интерферометра Тваймана— Грина без дополнительной коррекции осевой дисторсии для контроля формы поверхности крупногабаритных асферических зеркал с относительным отверстием до 1:1.

3. Применение разработанной ортоскопической системы интерферометра для контроля формы поверхности главных зеркал крупных телескопов позволяет исключить процедуру математического учета осевой дисторсии, тем самым существенно сократить продолжительность операций контроля.

Защищаемые научные положения и результаты:

8. Значение осевой дисторсии ортоскопической системы интерферометра для контроля формы поверхности крупногабаритных асферических зеркал с относительным отверстием от 1:2 до 1:1 не превышает 0,3%.

9. При контроле крупногабаритных асферических зеркал с относительным отверстием от 1:2 до 1:1 предложенные зеркально-линзовые компенсационные системы имеют в 2 раза меньшее значение осевой дисторсии по сравнению с существующими линзовыми.

10. Разработанные методики позволяют рассчитывать параметры технологичных зеркально-линзовых компенсаторов для контроля асферических зеркал с диаметрами от 1,7 до 9 метров и относительными отверстиями от 1:4 до 1:1.

Личный вклад:

Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при непосредственном участии автора.

Достоверность результатов работы обеспечена путем корректного применения специализированного программного обеспечения «Mathcad» и «ОПАЛ».

Реализация и внедрение результатов:

Результаты работы использованы в процессе контроля крупногабаритных асферических поверхностей оптических деталей на ОАО «Красногорский завод имени С.А. Зверева», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы и публикации результатов:

Полученные в диссертации научные результаты докладывались на 4 международных конференциях: «Прикладная оптика 2006», Санкт-Петербург, 2006; «Прикладная оптика 2007», Санкт-Петербург, 2007; XIV международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2008; «Оптика-2011», Санкт-Петербург, 2011.

Результаты диссертации изложены в 3 статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 75 библиографических ссылок, приложение. Диссертация изложена на 137 станицах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 14 таблиц и приложение.

Методы контроля формы главных зеркал оптических телескопов

В работе [44] замечено, что улучшить свойства компенсационной системы можно за счет применения сочетания рефракционных и дифракционных элементов, при этом качество интерференционной картины зависит от точности юстировки этих элементов друг относительно друга. Обычные методы юстировки не обеспечивают необходимую точность. В связи с этим применение таких гибридных систем ограничено.

Наиболее простыми в расчете и изготовлении являются компенсаторы на основе осесимметричных дифракционных оптических элементов, но их практическое применение также ограничено из-за зеркального отражения света от подложки и наличия нежелательных дифракционных порядков, распространяющихся вдоль оптической оси интерферометра, которые искажают результаты измерений. Обычно для борьбы с такими бликами применяют небольшие наклоны подложки с дифракционным оптическим элементом, но в данном случае такой метод не подходит, так как это приводит к появлению больших аберраций [44].

В работе [45] приведен еще один вид дифракционных оптических элементов для контроля асферических поверхностей - зонная пластинка, которая является основным оптическим элементом дифракционного интерферометра с общим ходом опорного и измерительного пучков (Рисунок 1.7).

Схема дифракционного интерферометра с общим ходом опорного и измерительного пучков [45] Измерительная ветвь интерферометра содержит зонную пластинку 7, формирующую опорный волновой фронт, выполняя функции пробного стекла, и контролируемую поверхность 2 [45]. При помощи такого интерферометра с зонной пластинкой диаметром 10 мм и фокусном расстоянием f=25 мм можно проконтролировать поверхности с относительным отверстием от 1:30 до 1:4, радиусом кривизны от 100 до 3000 мм с погрешностью измерения Х/20 [44].

По мнению Д.Т. Пуряева в работе [9] с практической точки зрения голографический метод не имеет существенных преимуществ перед компенсационным. Оба метода требуют расчета и изготовления дополнительных элементов (компенсаторов или голограмм), реализуются на одних и тех же физических приборах - интерферометрах, методы расшифровки интерферограмм аналогичны. Если для компенсационного метода ограничением является сложность оптического компенсатора, то для голографического - сложность искусственной голограммы. Однако для крупногабаритных светосильных асферических поверхностей частота штрихов голограммы оказывается настолько большой, что ее изготовление становится практически невозможным.

По мнению Д.Т. Пуряев в работе [9] один и тот же компенсатор применим для контроля различных асферических поверхностей, профиль которых является эквидистантным по отношению к контролируемой поверхности. Например, Универсальный компенсатор, разработанный Д.Т. Пуряевым для контроля главного зеркала телескопа БТА, пригоден для контроля параболических, гиперболических и эллиптических зеркал с различным сочетанием эксцентриситетов и диаметров, и асферических поверхностей высших порядков, мало отличающихся от второго [8]. Создание искусственной голограммы, пригодной для контроля нескольких асферических поверхностей, в принципе невозможно.

В последнее время для аттестации компенсаторов применяются CGH-имитаторы контролируемого зеркала [22, 44, 45, 46]. Так изготовлены голографические имитаторы главных зеркал телескопов Magellan [43], TNT и VISTA [16, 48] и др. На Рисунке 1.8. показана фотография голографического имитатора главного зеркала телескопа VISTA, предоставленная представителями ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла» (ОАО «ЛЗОС»), где много лет производят крупногабаритные асферические зеркала, что отражено в работах [1, 20,21,22,23,24,49,50,51,52].

Голографический имитатор главного зеркала телескопа VISTA [ОАО «ЛЗОС»] В настоящее время для точного контроля формы асферических поверхностей в обязательном порядке применяются, как минимум, два различных метода контроля или компенсационный метод с применением двух компенсаторов, конструкции которых различны. Так, например, для контроля главного зеркала телескопа БТА применялись теневой, интерференционный и метод Гартмана [27, 33, 48], а для контроля главного зеркала телескопа TNT использовался компенсационный метод контроля с применением двух различных компенсаторов, линзовым и CGH-корректором [1, 16, 22, 24, 49].

Линзовый компенсатор Росса [9] состоит из двояковыпуклой линзы К и коррекпионной асферической пластинки Т сложного профиля (Рисунок 1.9). Компенсатор применялся для контроля параболического главного зеркала телескопа Паломарской обсерватории. При диаметре компенсатора 250 мм максимальное отступление асферической поверхности пластинки от плоскости 18 мкм [9].

Позднее такой компенсатор такой конструкции применялся М.А. Ухановым для исследования параболических зеркал и зеркал Манжена диаметром 0,6 м и относительным отверстием 1:4, диаметр компенсатора не превышал 67 мм [47]. Компенсатор нашел широкое применение при изготовлении оптики любительских телескопов. 2. Компенсатор Линника

Компенсатором является ахроматическая склеенная линза К, установленная за центром кривизны параболического зеркала П [53] (Рисунок 1.10). Изображение А располагается на небольшом расстоянии от оси вблизи центра кривизны зеркала. Положение источника света А как -s = 2f\, где fK -фокусное расстояние компенсатора.

Благоприятным обстоятельством, по словам Д. Т. Пуряева в работе [9], является то, что «... лучи света проходят через линзу один раз, поэтому погрешности ее поверхностей, граничащих с воздухом, переносятся на волновой фронт, уменьшенные примерно в 2 раза, а погрешности контролируемого зеркала при однократном отражении лучей удваиваются ...». Компенсатор пригоден для контроля параболических зеркал диаметром до 1 м с относительным отверстием до 1:6. 3. Компенсатор Далла Компенсатор состоит из плосковыпуклой линзы К, расположенной вне оси параболоида П вблизи его центра кривизны. Точечный источник света А расположен на оси компенсатора, проходящей через вершину контролируемой поверхности П [37] (Рисунок 1.11).

Анализ компенсационной системы с учетом реальных аберраций

Оптимизируемые функции fi - безразмерные нормированные величины, зависящие от параметров оптимизации и определяющие качество оптимизируемой системы. В качестве оптимизируемых функций могут использоваться разнообразные характеристики: параксиальные характеристики всей системы и характеристики отдельных компонентов, габариты всей системы и отдельных компонентов, аберрации в различном представлении, характеристики качества изображения.

При оптимизации этим характеристикам придается следующий вид: f1=(u1-u1)ISui, (2.5) где щ, щ, 8щ— текущее значение, заданное значение и масштаб какой-либо характеристики (если щ должны принимать как можно большие по модулю значения, то вместо них можно взять обратные величины щ1) [65].

При расчете компенсационных систем оптимизируемые функции наиболее рационально связать с Церниковскими глобальными полихроматическими коэффициентами разложения волновой аберрации по ортогональному базису, которые имеют следующий вид: нормы ортогональных полиномов [65]. Так как при компенсационном методе контроля используется точечный монохроматический источник света, то при оптимизации необходимо использовать коэффициенты Цернике, отвечающие за сферическую аберрацию и дефокусировку.

Оценочная функция - вспомогательная функция, объединяющая все оптимизируемые функции в один критерий: m і=\ где аг - некоторые весовые коэффициенты, і = 1,..., m. В программе «ОПАЛ» весовые коэффициенты могут быть установлены по умолчанию, или назначаться по результатам предыдущего цикла оптимизации и изменяться от цикла к циклу.

При введении оценочной функции задача оптимизации заключается в определении параметров системы, при которых функция р имеет минимальное значение.

Область параметров оптимизации определяется ограничениями, которые могут быть двух видов: ограничения типа равенств и ограничения типа неравенств. Суть ограничений типа равенств состоит в том, что некоторая оптимизируемая функция должна принимать точное заданное значение. Как упоминается в работе [65] к ограничениям типа равенств относятся условия равенства заданным значениям увеличения, положения зрачков и других характеристик, а также связи между параметрами оптимизации, описываемые соотношениями вида:

Суть ограничений типа неравенств состоит в том, что некоторая оптимизируемая функция должна принимать значение в заданном интервале. В работе [65] отмечено, что ограничения типа неравенств бывают: математические, описывающие область существования оптимизируемых функций f(x), и физические или конструктивные ограничения, задающие ограничения максимальной и минимальной толщины линз, величины воздушных промежутков, величины световых высот, величины заднего отрезка и положения зрачков и др.

При оптимизации компенсационной системы в автоколлимационном ходе лучей необходимо сохранение равенства -1 обобщенного увеличения системы. Кроме того, необходимо сохранение телескопического хода лучей всей системы или некоторого оптического блока системы.

Если какая-то поверхность в системе встречается несколько раз, например при оптимизации компенсационной системы в автоколлимационном ходе лучей, необходимо описывать связи между параметрами оптимизации. Марки связанных параметров и коэффициенты связи указываются в строгом соответствии с расположением соответствующих им марок свободных параметров.

При помощи ограничений типа неравенств рекомендуется задавать ограничения на толщины линз «по краю» и световые высоты.

Существует огромное количество методов оптимизации. В прикладном пакете программ «ОПАЛ» используются следующие методы оптимизации: градиентный метод (ГМ), модифицированный метод наименьших квадратов (МНК), комбинация градиентного метода и метода наименьших квадратов (ГМ+МНК), модифицированный метод Лагранжа (МЛ), метод оптимального базиса (МОБ) и демпфированные методы наименьших квадратов (ДМНК).

На начальных этапах оптимизации применим МНК, при этом количество функций может быть больше количества параметров.

Метод Лагранжа применим, если количество функций меньше количества параметров. Если количество функций равно количеству параметров и исходная система близка заданной, можно применять метод Ньютона. Однако наличие «лишних» параметров или функций приводит к резкому замедлению сходимости.

Вторая модификация метода Ньютона дает хорошие результаты и на начальных стадиях расчета, и при окончательной коррекции оптических систем, но модификации метода Ньютона не применимы при наличии функций, которые зависят друг от друга.

ДМНК является наиболее рациональным методом оптимизации, т.к. сочетает в себе положительные свойства метода быстрого спуска и метода наименьших квадратов, а также сочетает преимущества градиентных и ньютоновских методов, в связи с чем, имеет лучшую сходимость. В случае, если использование ДМНК не дает положительных результатов, целесообразно заново провести оптимизацию с помощью МОБ, т.к. этот метод также является усовершенствованием ньютоновских методов, и работает при любом соотношении функций и параметров. Более подробная информация о методах оптимизации содержится в работах [62, 65, 66, 67].

Результаты расчетов параметров новых зеркально-линзовых компенсационных систем

Серьезной проблемой компенсационного метода контроля формы поверхности крупногабаритных светосильных асферических зеркал является искажение интерференционной картины при проецировании контролируемой криволинейной поверхности на плоский приемник. Это искажение проявляется в виде нарушения отношения координаты точки на контролируемой поверхности к координате ее изображения в плоскости фотоприемника в осевом пучке. В результате применения компенсационного метода контроля происходит нелинейное преобразование интерференционной картины, приводящее к ее «сжатию» на краю выходного зрачка (Рисунке 3.1 а), а при применении голографического метода контроля возникает это же явление, но в центральной его части (Рисунке 3.1 б) [1, 3]. В обоих случаях это явление существенно затрудняет расшифровку интерференционной картины. В этом смысле методы хорошо дополняют друг друга. Но, как уже упоминалось в главе 1, для высокоапертурных асферических поверхностей частота штрихов голограммы оказывается настолько большой, что ее изготовление становится практически невозможным.

Вид интерференционной картины (схематично) при: а -компенсационном методе контроля; б - голографическом методе контроля крупногабаритных светосильных асферических зеркал

Упоминание об этой проблеме встречается как в отечественной [1,4], так и в зарубежной литературе [5, 6]. Однако в результате анализа доступных литературных источников не найдено разработанных систем контроля формы поверхности крупногабаритных светосильных асферических зеркал компенсационным методом свободных от этой погрешности, и производители вынуждены применять математический учет осевой дисторсии [1, 3], что существенно увеличивает затраты времени на принятие решения о корректировке технологического процесса.

Таким образом, разработка метода проецирования крупногабаритной светосильной асферической поверхности на плоский приемник с постоянным линейным масштабом является на сегодняшний день актуальной задачей.

Н.Н. Михельсон дает следующую формулировку осевой (нормальной) дисторсии: «Если мы наблюдаем на небе объект, отстоящий от оптической оси на угловом расстоянии ю, а фокусное расстояние объектива есть / , то на плоской фотопластинке изображение будет отстоять от ее центра не на расстоянии l =\f \co, а на расстоянии / -\f \tg(co). Разность этих величин: Ы = / (tg - () называется нормальной дисторсией» [4].

С ростом величины относительного отверстия контролируемой поверхности значение осевой дисторсии увеличивается, и для главного зеркала телескопа VISTA, относительное отверстие которого 1:1, достигает 21%. Важно отметить, что для зеркальных и зеркально-линзовых компенсационных систем значение осевой дисторсии меньше, чем для линзовых. Например, для компенсационных систем с зеркально-линзовым компенсатором с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью, осевая дисторсия составляет от 2 до 6%, что вполне допустимо в большинстве практических случаев. Этот факт является существенным достоинством компенсатора, так как позволяет применять его в измерительной ветви интерферометра Тваймана—Грина без дополнительной коррекции осевой дисторсии.

В работе [1] отмечено, что в настоящее время для достоверного контроля формы крупногабаритных асферических поверхностей в обязательном порядке применяются, как минимум, два независимых метода контроля или компенсационный метод контроля с применением двух компенсаторов, конструкции которых отличаются. Предложены две системы с исправленной осевой дисторсией, в которых применяются компенсаторы разного типа.

Первый вариант системы - интерферометр Тваймана—Грина, в измерительной ветви которого расположен один из разработанных в предыдущей главе зеркально-линзовых компенсаторов, с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью. Как было отмечено выше, осевая дисторсия таких компенсационных систем не превышает 6%.

Второй вариант системы - ортоскопическая система интерферометра (Рис. 3.2), в конструкции которой заложена возможность исправления осевой дисторсии.

Ортоскопическая система интерферометра [3,71], где: 1 - лазер, 2 конденсор, 3 - диафрагма, 4 - светоделительный кубик, 5 - объектив измерительной ветви интерферометра, 6 - плоскопараллельная пластина, 7 компенсатор, 8 - эталонное сферическое зеркало, 9 - объектив сопряжения измерительной ветви интерферометра, 10 - ПЗС матрица

Лучи света, идущие из гелий-неонового лазера 1, фокусируются конденсором 2 в отверстие диафрагмы 3, установленной в заднем фокусе объектива 5. Далее пучок лучей поступает на светоделительный кубик 4 и разделяется на два пучка. Один из них идет в эталонную ветвь интерферометра, в которой установлено эталонное сферическое зеркало 8, другой - в измерительную ветвь, в которой расположены объектив 5, плоскопараллельная пластинка 6, компенсатор 7 и контролируемая асферическая поверхность КП.

Объектив 5 предназначен для формирования эталонного плоского волнового фронта. Методика расчета объектива приведена в подпункте З.2.1.2.

Плоскопараллельная пластинка 6 установлена в выходном зрачке компенсационной системы и является разделительным элементом интерферометра. Каждый луч, падающий на пластинку, расщепляется на два: один отражается от плоской эталонной поверхности и повторяет свой путь в обратном направлении, другой проходит компенсатор, поступает на контролируемую поверхность и, отразившись от нее, также идет в обратном направлении. Лучи света, отраженные от пластинки и контролируемой поверхности, интерферируют между собой. Далее лучи проходят светоделительный кубик и поступают на объектив сопряжения измерительной ветви 9, проецирующий интерференционную картину в плоскость ПЗС матрицы 10 с постоянным линейным масштабом [3].

Методика расчета ортоскопической системы интерферометра

С ростом величины относительного отверстия контролируемой поверхности значение осевой дисторсии увеличивается, и для главного зеркала телескопа VISTA, относительное отверстие которого 1:1, достигает 21%. Важно отметить, что для зеркальных и зеркально-линзовых компенсационных систем значение осевой дисторсии меньше, чем для линзовых. Например, для компенсационных систем с зеркально-линзовым компенсатором с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью, осевая дисторсия составляет от 2 до 6%, что вполне допустимо в большинстве практических случаев. Этот факт является существенным достоинством компенсатора, так как позволяет применять его в измерительной ветви интерферометра Тваймана—Грина без дополнительной коррекции осевой дисторсии.

В работе [1] отмечено, что в настоящее время для достоверного контроля формы крупногабаритных асферических поверхностей в обязательном порядке применяются, как минимум, два независимых метода контроля или компенсационный метод контроля с применением двух компенсаторов, конструкции которых отличаются. Предложены две системы с исправленной осевой дисторсией, в которых применяются компенсаторы разного типа.

Первый вариант системы - интерферометр Тваймана—Грина, в измерительной ветви которого расположен один из разработанных в предыдущей главе зеркально-линзовых компенсаторов, с линзовым корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхностью. Как было отмечено выше, осевая дисторсия таких компенсационных систем не превышает 6%.

Второй вариант системы - ортоскопическая система интерферометра (Рис. 3.2), в конструкции которой заложена возможность исправления осевой дисторсии.

Ортоскопическая система интерферометра [3,71], где: 1 - лазер, 2 конденсор, 3 - диафрагма, 4 - светоделительный кубик, 5 - объектив измерительной ветви интерферометра, 6 - плоскопараллельная пластина, 7 компенсатор, 8 - эталонное сферическое зеркало, 9 - объектив сопряжения измерительной ветви интерферометра, 10 - ПЗС матрица

Лучи света, идущие из гелий-неонового лазера 1, фокусируются конденсором 2 в отверстие диафрагмы 3, установленной в заднем фокусе объектива 5. Далее пучок лучей поступает на светоделительный кубик 4 и разделяется на два пучка. Один из них идет в эталонную ветвь интерферометра, в которой установлено эталонное сферическое зеркало 8, другой - в измерительную ветвь, в которой расположены объектив 5, плоскопараллельная пластинка 6, компенсатор 7 и контролируемая асферическая поверхность КП.

Объектив 5 предназначен для формирования эталонного плоского волнового фронта. Методика расчета объектива приведена в подпункте З.2.1.2.

Плоскопараллельная пластинка 6 установлена в выходном зрачке компенсационной системы и является разделительным элементом интерферометра. Каждый луч, падающий на пластинку, расщепляется на два: один отражается от плоской эталонной поверхности и повторяет свой путь в обратном направлении, другой проходит компенсатор, поступает на контролируемую поверхность и, отразившись от нее, также идет в обратном направлении. Лучи света, отраженные от пластинки и контролируемой поверхности, интерферируют между собой. Далее лучи проходят светоделительный кубик и поступают на объектив сопряжения измерительной ветви 9, проецирующий интерференционную картину в плоскость ПЗС матрицы 10 с постоянным линейным масштабом [3].

Методики расчета компенсатора и объектива сопряжения приведены в подпунктах 3.2.1.1 и 3.2.1.3, соответственно.

Объектив измерительной ветви, светоделительный кубик и объектив сопряжения измерительной ветви образуют телескопическую систему. При этом объектив сопряжения фактически является окуляром телескопической системы.

Назначение эталонного зеркала 8 - контроль части измерительной ветви интерферометра, в которую входит плоскопараллельная пластинка, объектив и светоделительный кубик.

Помимо интерференционной картины ортоскопическая система интерферометра позволяет регистрировать и так называемую муаровую картину, которая возникает при наложении трех интерференционных картин. Первая картина, как уже упоминалось выше, формируется при интерференции лучей, отраженных от контролируемой поверхности и от эталонной поверхности плоскопараллельной пластины 6; вторая - при интерференции лучей, отраженных от контролируемой поверхности и эталонного сферического зеркала 8, третья - при интерференции лучей, идущих от эталонной поверхности плоскопараллельной пластины 6 и эталонного сферического зеркала 8. Муаровая картина регистрируется в плоскости ПЗС матрицы. Расшифровка муаровой картины позволяет получить дополнительную информацию о форме поверхности, а также исключить погрешности изготовления оптики интерферометра [54, 72]. Однако исследование этого явления не входит в цель диссертации.

Сущность методики расчета ортоскопической системы интерферометра заключается в последовательном расчете трех оптических блоков системы: компенсационной системы; объектива измерительной ветви; объектива сопряжения измерительной ветви.

В этой системе может применяться любой известный тип компенсатора, обеспечивающий необходимую точность контроля формы поверхности. Конструкция компенсатора, как было отмечено выше, должна отличаться конструкции предложенного выше зеркально-линзового компенсатора с корректором, расположенным вблизи области каустики, локализованной между компенсатором и контролируемой поверхности. В связи с этим целесообразно применение одного из линзовых компенсаторов, которые наиболее популярны у производителей крупногабаритных асферических зеркал. Пусть, например, компенсатор состоит из положительной менисковой линзы и линзового корректора вблизи области каустики. Оптическая схема линзового компенсатора показана на Рисунке 3.3 .