Устройство для измерения волновых аберраций сферического зеркала

Предлагаемое техническое решение относится к области технической физики, а, в частности, к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля формы поверхности объектов, например, зеркальных поверхностей элементов телескопических систем при их аттестации в цеховых условиях.

Устройство для измерения волновых аберраций сферического зеркала содержит последовательно установленные точечный источник светового зондирующего излучения, диафрагму и вращающийся диск Нипкова для последовательно-поочередной подачи зондирующего излучения на поверхность контролируемого зеркала. Обработка отраженного от поверхности зеркала светового сигнала осуществляется с помощью двумерной матрицы, подключенной к процессору вычисления смещения отраженных зондирующих пучков. Технический результат от использования технического решения заключается в повышении точности измерений волновых аберраций сферического зеркала и обеспечении автоматизации процесса измерения.

Предлагаемое техническое решение относится к области технической физики, а, в частности, к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля формы поверхности объектов, например, зеркальных поверхностей элементов телескопических систем при их аттестации в цеховых условиях.

Известны устройства измерения формы поверхности зеркала с использованием шаблона, сферометра или микроскопа, см., например, «Оптический производственный контроль», под ред. Д.Малакары, М. Маш, 1985, С.364.

Недостатком данных устройств является то, что контроль поверхности ограничен лишь измерением средних, интегральных характеристик радиуса поверхности.

Известны также интерференционные устройства измерения параметров формы поверхности по результатам анализа волнового фронта, формируемого исследуемой поверхностью, см. Креопалова Г.П., Пуряев Д.Т. «Исследование и контроль оптических систем», М, Маш., 1978, с.224.

Недостатком данных технических решений является сложность их конструктивного исполнения, связанная с повышенными требованиями к качеству оптических элементов изделия, обязательным наличием эталонных элементов и т.д.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является устройство для измерения аберраций сферического зеркала, содержащее, точечный источник зондирующего светового

излучения с блоком приема и обработки отраженного от поверхности зеркала светового сигнала, расположенные в области плоскости центра его кривизны по разные стороны оптической оси зеркала, и маску с отверстиями для прохода зондирующего светового излучения, размещенную между точечным источником и зеркалом, см. В.А.Зверева, С.А.Родионова и др. «Технологический контроль главного зеркала БТА методом Гартмана», Оптико-мех. промышленность, 1977, №3, с.3-5.

Недостатком устройства является пониженная пространственная разрешающая способность, не обеспечивающая возможность обнаружения дефектов поверхности по размерам существенно меньших расстояния между отверстиями маски, что является причиной появления ошибок реконструкции волнового фронта. Для обнаружения погрешностей поверхности между отверстиями экрана можно применять процедуру поворота экрана и интегрирование результатов измерений, а для повышения достоверности измерений выполнять их многократно. Реализовать эти действия в прототипе технически сложно. Поэтому к недостаткам прототипа следует так же отнести повышенную трудоемкость и полное отсутствие автоматизации представления результатов измерений.

Технический результат от использования предложенного технического решения заключается в повышении точности измерения волновых аберраций сферического зеркала и обеспечении возможности автоматизации обработки результатов измерений.

В соответствии с предложенным решением вышеуказанный технический результат достигается, что в устройстве для измерения аберраций волнового фронта сферического зеркала содержащем, точечный источник зондирующего светового излучения с блоком приема и обработки отраженного от поверхности зеркала светового сигнала, расположенные в области плоскости центра его кривизны по разные стороны оптической оси зеркала, и маску с отверстиями для прохода зондирующего светового излучения, размещенную между точечным источником и зеркалом,

дополнительно содержится диафрагма, а маска с отверстиями для прохода зондирующего излучения выполнена в виде вращающегося диска Нишсова, при этом последний смонтирован между фокальной плоскостью зеркала и плоскостью центра его кривизны, а диафрагма размещена перед диском Нипкова с обеспечением последовательно-поочередного прохода через его отверстия зондирующего светового излучения на поверхность сферического зеркала.

Кроме того, блок приема и обработки информации выполнен в виде двумерной матрицы позиционно-чувствительных фотоэлементов, подключенной к процессору вычисления смещения отраженных зондирующих пучков от центра матрицы.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 диск Нипкова в увеличенном масштабе с пояснением принципа его работы.

Предлагаемое устройство содержит точечный источник зондирующего светового излучения, выполненный на базе излучателя-1 (например, лазера), световода-2 с точечной диафрагмой-3 на его выходе, размещенной в области центра кривизны исследуемого зеркала-4. За точечным источником зондирующего светового излучения последовательно установлены диафрагма-5 и маска с отверстиями в виде диска Нипкова-6 (конструкцию диска Нипкова см., например, А.С.Дубовик, «Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов», Наука, М, 1975, с.114) с приводом его вращения-7, подключенным к управляющему органу, выполненному на базе копьютера-8. Для регистрации и исследования зондирующего светового излучения, отраженного от поверхности зеркала-4, в устройстве предусмотрен блок приема и обработки информации в виде двумерной матрицы-9 позиционно-фоточувствительных элементов, подключенной к процессору-10 вычисления смещения изображения (отраженных зондирующих пучков) от центра матрицы-9, выход которого подключен к компьютеру-8. Для обеспечения наиболее оптимального режима работы устройства, матрица-9

и диафрагма-3 размещены в общей плоскости и по разные стороны оптической оси зеркала-4, а их центры равноудалены от последней, при этом диск Нипкова-6 смонтирован между фокальной плоскостью зеркала и плоскостью центра его кривизны (см. Фиг.1).

Рассмотрим функционирование диска Нипкова с помощью Фиг.2.

На вращающемся диске-6 выполнено N (например 10) отверстий, расположенных по спирали Архимеда, сходящихся от периферии к центру диска.. При вращении диска отверстия описывают дуги (1 ₁, 2₁, ... 10₁ ) концентрических окружностей с общим центром, расположенным на оси диска-6. Световая зона-11 засветки (точечным источником) диска-6 будет последовательно-поочередно сканироваться отверстиями диска по двум координатам, при этом в любой момент времени в пределах световой зоны находится не более одного отверстия.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Излучение от источника излучения 1, пойдя по световоду 2, фокусируется на точечной диафрагме 3, на выходе которой формируется зондирующее световое излучение со сферическим волновым фронтом. Далее с помощью диафрагмы -5 из зондирующего излучения вырезается световой пучок с телесным углом в виде конуса с основанием подобным световому диаметру сферического зеркала и образующим на диске Нипкова-6 зону-11 засветки (см. фиг.1, фиг.2). Отверстия диска Нипкова-6 при его вращении от привода-7, управляемого компьютером-8, последовательно-поочередно диафрагмируют световую зону-11, обеспечивая последовательно-поочередный проход зондирующего светового излучения на исследуемую поверхность зеркала-4. Продиафрагмированный волновой фронт, попадая на сферическое зеркало-4, засвечивает фрагмент его поверхности в виде элементарной площадки-12, отразившись от которой фокусируется на двумерной матрице-9 позиционно-чувствительных фотоприемников, подключенной к

процессору-10 вычисления смещения изображения точечного источника света, создаваемого элементарной площадкой-12 на поверхности сферического зеркала. Сигналы с процессора-10 подаются на компьютер-8, где происходит реконструкция волнового фронта и вычисление волновых аберраций сферического зеркала. Для оптимизации процесса измерения центр матрицы-9 и диафрагма-5 расположены в плоскости центра кривизны зеркала и смещены в поперечном направлении оптической оси зеркала в противоположные стороны на одинаковое расстояние. Предложенная конструкция не содержит элементов (типа светоделителей), которые могут искажать подаваемый и отраженный от зеркала волновой фронт. Процедура реконструкции волнового фронта и вычисления волновых аберраций сферического зеркала может выполняться стандартным образом, см., например, Mayall N.V., Vasilevskis S. - Astron.J., 1960, vol. 65, №304.

С помощью предложенного технического решения обеспечивается возможность более детально и с большей частотой выявлять зональные отклонения формы поверхности зеркала, что позволяет избавиться от существенного недостатка - пониженной пространственной разрешающей способностью измерений и позволяет достичь увеличения точности восстановления волнового фронта, что в конечном итоге повышает точность измерения волновых аберраций сферического зеркала, а также позволяет автоматизировать представление результатов измерения для их последующей обработки на компьютере.

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении точности измерений волновых аберраций сферического зеркала и позволяет автоматизировать процесс контроля качества поверхности оптических элементов.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлен опытный образец изделия, испытания которого подтвердили достижение указанного технического результата.

1. Устройство для измерения волновых аберраций сферического зеркала, содержащее точечный источник зондирующего светового излучения с блоком приема и обработки отраженного от поверхности зеркала светового сигнала, расположенные в области плоскости центра его кривизны по разные стороны оптической оси зеркала, и маску с отверстиями для прохода зондирующего светового излучения, размещенную между точечным источником и зеркалом, отличающееся тем, что оно снабжено диафрагмой, а маска с отверстиями для прохода зондирующего излучения выполнена в виде вращающегося диска Нипкова, при этом последний смонтирован между фокальной плоскостью зеркала и плоскостью центра его кривизны, а диафрагма размещена перед диском Нипкова с обеспечением последовательно-поочередного прохода через его отверстия зондирующего светового излучения на поверхность сферического зеркала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок приема и обработки информации выполнен в виде двумерной матрицы позиционно-чувствительных фотоэлементов, подключенной к процессору вычисления смещения отраженных зондирующих пучков от центра матрицы.