книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

фронтом, идущим из эталонной ветви. Для наблюдения интерфе­ ренционной картины окуляр 12 удаляется, а зрачок глаза наблю­ дателя совмещается с задним фокусом объектива 11. Предусмот­ рена также возможность фотографирования интерференционной картины.

В качестве источников света в интерферометре используются лампы ДНаС-18 и ДРС-50, серийно выпускаемые нашей промыш­ ленностью. Излучение лампы ДНаС-18 имеет высокую монохро­

матичность (длины волн Я,! = 0,5890 мкм и Х2 = 0,5896 мкм), и поэтому светофильтр не применяют. При работе с лампой ДРС-50 необходимо применение интерференционного светофильтра, вы­ деляющего длину волны X = 0,5461 мкм. Объективы 5 и 11 имеют световые диаметры 150 мм и фокусные расстояния 1000 мм. Объ­ ективы хорошо корригированы на сферическую аберрацию и условие синусов, поэтому позволяют также оценивать качество контролируемых оптических систем и центрировку рабочей ветви по виду дифракционного изображения точки. Разделительное зеркало 6 изготовлено из стекла К8, оно имеет диаметр 270 мм и толщину 33 мм. Зеркала 7 и 8 изготовлены из стекда ЛК5. Диа­ метры зеркал соответственно 270 и 180 мм, толщины 33 и 25 мм. Окуляр 12 — съемный, его фокусное расстояние 20 мм. Компен­ сатор 10 рассчитывается и изготовляется в зависимости от вида и параметров контролируемой асферической поверхности.

Длина интерферометра 5100 мм, высота 900 мм, ширина 900 мм (без учета длин зрительной трубы и коллиматора). Масса прибора 670 кг. Основные узлы прибора монтируются на прямо-

120

угольной сварной станине, установленной на независимом от зда­ ния фундаменте. Между станиной и фундаментом для устранения вибраций проложены надувные автомобильные шины.

Конструкция интерферометра имеет две важные особенности. 1. Рабочая и эталонная ветви интерферометра (см. рис. 56)

расположены параллельно друг к другу и изолированы от внешней среды прозрачным экраном. Параллельное расположение обеих ветвей и небольшое расстояние между ними 400 мм) полностью исключают влияние температурного градиента воздуха на ста­ бильность интерференционной картины.

2. Все юстировочные движения и управление работой интер­ ферометра осуществляются с пульта у наблюдателя, что дает воз­ можность вести непрерывное наблюдение за интерференционной картиной во время юстировки рабочей ветви. Юстировочные дви­ жения осуществляются системой дистанционного управления прибором с помощью малогабаритных электродвигателей.

На интерферометре осуществляются следующие основные юстировочные движения: поступательные перемещения компенса­ тора в трех взаимно перпендикулярных направлениях в диапазоне

± 30 мм; повороты контролируемой детали в двух взаимно пер­ пендикулярных плоскостях в диапазоне ± 5°; наклоны плоского эталонного и разделительного зеркал в диапазоне ± 5°.

Контролируемую деталь в процессе контроля подвешивают на стальной ленте, которую устанавливают на дугообразной оправе. Это обеспечивает почти полную разгрузку крупных деталей от напряжений, возникающих под действием собственного веса.

Предусмотрена возможность наладки рабочей ветви интерферо­ метра по схеме Тваймана—Грина, для чего в рабочую ветвь вклю­ чен узел крепления сферического зеркала со всеми необходимыми юстировочными движениями. Кроме того, оптические квантовые генераторы можно применять в качестве источников света.

Таким образом, конструктивные особенности прибора обеспе­ чивают широкий диапазон его применения не только по прямому назначению, но и для решения большого круга задач, связанных с контролем оптических систем интерференционными методами.

Интерферометр позволяет контролировать АП, у которых кривая аберраций нормалей близка или совпадает с кривой сфе­ рической аберрации компенсатора. С помощью простейших ком­ пенсаторов возможен контроль поверхностей вращения второго порядка, а также поверхностей, мало от них отличающихся.

Типичные кривые сферической аберрации двухлинзовых объ­ ективов, которые могут быть использованы в качестве компенса­ торов, весьма разнообразны по виду. Применение таких объекти­ вов позволяет контролировать не только АП с монотонной мери­ диональной кривой, но и поверхности, меридиональные кривые которых имеют точку перегиба. Поэтому на интерферометре в прин­ ципе можно контролировать любые АП, для которых можно рас­ считать и изготовить соответствующие компенсаторы.

121

Параметры АП, контролируемых на интерферометре, опре­ деляются конструкцией рабочей ветви. Наибольший диаметр контролируемой детали не должен превышать 450 мм. Длина рабочей ветви интерферометра составляет 4100 мм, поэтому при использовании положительного компенсатора радиус кривизны при вершине АП и фокусное расстояние компенсатора в сумме не должны превышать 4000 мм (с учетом оправы компенсатора и необходимых юстировочных движений). В случае применения отрицательного компенсатора радиус кривизны при вершине АП не ограничен.

Наибольший диаметр сечения пучка, выходящего из объек­ тива 5 (см. рис.56), составляет 150 мм, поэтому и наибольший диа­ метр компенсатора не должен превышать 150 мм. При контроле выпуклых АП их диаметр должен быть менее 150 мм, а радиус кривизны при вершине может быть как угодно большим.

Если эксцентриситет гиперболической поверхности р равен показателю преломления стекла, из которого изготовлена плосковогнутая линза 2 (рис. 57), то в качестве компенсатора можно использовать любой готовый объектив /, хорошо корригирован­ ный на сферическую аберрацию для осевого параллельного пучка лучей [59]. При этом параметры контролируемой гиперболи­ ческой поверхности и компенсатора должны удовлетворять усло­ виям

Если первая поверхность линзы не плоская, то можно приме­ нить дополнительную линзу, установленную на оптический кон­ такт с контролируемой линзой, при этом показатели преломления обеих линз должны быть одинаковыми. Применение кюветы с им­ мерсионной жидкостью позволяет контролировать вогнутые ги­ перболические поверхности линз, даже если первая поверхность линзы является грубо обработанной, шлифованной или асфери­ ческой.

Диапазон применения такого компенсатора, очевидно, огра­ ничен существующими сортами стекол, т. е. эксцентриситет е гиперболической поверхности должен удовлетворять условию 1,47 ^ в 2, а толщина d гиперболической линзы 0,86 r0 ^ d ^

О,33г0.

Для контроля выпуклых эллиптических поверхностей приме­ няют компенсатор, состоящий из корригированного на сферичес-

122

кую аберрацию первого компонента 1 и плоскопараллельной пластинки 2 (рис. 58), параметры которой связаны с параметрами контролируемой эллиптической поверхности 3 соотношениями

где п — показатель преломления плоскопараллельной плас-

. тинки;

d — толщина пластинки;

е— эксцентриситет эллиптической поверхности;

г0— радиус кривизны при вершине эллиптической поверх­ ности.

Диапазон значений эксцентриситета е также ограничен суще­ ствующими сортами оптических стекол и находится в пределах 0,5 ^ е 0,68. При п — 1,47—н-2 толщина пластинки имеет пре­ делы 0,67 /•„< ( і < 1,27г0, при п = 1,618 d = г0. Таким обра­ зом, толщина пластинки соизмерима с радиусом кривизны при вершине эллиптической поверхности, и поэтому рассмотренный компенсатор наиболее рационально применять при контроле эллиптических поверхностей с малыми значениями г0.

Для контроля вогнутых эллиптических поверхностей приме­ няют компенсатор, состоящий из коорригированного на сфериче­ скую аберрацию первого компонента / и выпукло-плоской линзы 2 (рис. 59), показатель преломления которой равен величине, об­ ратной эксцентриситету вогнутой эллиптической поверхности 3. Центр кривизны С сферической поверхности линзы 2 совмещен с задним фокусом F[ первого компонента. Таким образом, гомо­ центрический пучок лучей, выходящий из первого компонента, преломляется только на плоской поверхности линзы 2. Пара­ метры контролируемой эллиптической поверхности связаны с па­ раметрами компенсатора соотношениями

123

ключается в том, что они дают аналитически точный волновой фронт, полностью совпадающий с'теоретическим профилем конт-

аберрацию. В качестве первого компонента можно использо­ вать любой готовый объектив или параболическое зеркало хорошего качества. Конструкция рассмотренных компенсато­ ров позволяет отдельно проконтролировать каждый компо­ нент обычными методами с высокой точностью, а взаимная уста­ новка компонентов компенсатора осуществляется весьма просто и надежно контролируется на существующих приборах. Эти достоинства компенсаторов дают основание полагать, что они могут найти применение для контроля соответствующих типов АП.

Методику работы на интерферометре ИКАП-1 можно условно разделить на два основных этапа: юстировку рабочей ветви ин­ терферометра и определение погрешностей контролируемой АП.

Процесс юстировки рабочей ветви интерферометра рекомен­ дуется проводить в следующем порядке:

1) установить торец оправы компенсатора перпендикулярно параллельному пучку лучей, выходящему из коллиматорного объектива 5 (см. рис. 56), для чего к торцу оправы приклады­ вают плоскопараллельную пластинку, одна из плоскостей которой покрыта отражающим слоем. Наклоняя компенсатор, устанавли­ вают прижатую к его торцу плоскопараллельную пластинку перпендикулярно параллельному пучку лучей, что проверяют известными методами. Поскольку в дальнейшем поступательные движения объектива осуществляются лишь в небольших пре­ делах, то оптическая ось объектива сохраняет свое направление;

2) поставить контролируемую деталь в приблизительно пра­

124

вильное положение, для чего в фокальной плоскости коллиматорного объектива 5 устанавливают диафрагму большого диаметра (0,5— 1 мм). Наклоняя контролируемую деталь, выводят изобра­

объектива 5. В нашем приборе наилучшее сочетание яркости и контраста интерференционной картины получено для диаметра точечной диафрагмы, равного 0,1 мм. Наблюдая в фокальной плоскости объектива 8 изображение точечной диафрагмы, полу­ ченной от рабочей ветви интерферометра, добиваются симметрич­ ного расположения дифракционных колец в изображении диа­ фрагмы, используя при этом только поступательные перемеще­

получить интерференционную картину в виде колец, по которым можно судить о качестве центрировки компенсатора относительно контролируемой поверхности. Так как интерференционная картина, полученная от всей контролируемой поверхности, имеет сравни­ тельно большие размеры, то оценка качества центрировки не встречает затруднений.

Рассмотренная методика юстировки рабочей ветви много­ кратно проверялась на практике. Первые два пункта юстировки,

•как видно по их содержанию, не встречают каких-либо затруд­ нений и выполняются достаточно просто. Центрировка дифрак­ ционных колец в изображении точечной диафрагмы, а затем интерференционной картины также не является трудоемким про­ цессом, поскольку есть наглядная оценка их качества, осуще­ ствляемая непрерывным наблюдением во время процесса юсти­ ровки. Опыт работы показал, что весь процесс юстировки легко и достаточно быстро может выполнить работник невысокой квали­ фикации.

Второй этап — определение погрешностей контролируемой АП — более сложен, его выполняют на основе анализа интерферен­ ционной картины. При этом необходимо принимать во внимание следующие соображения.

Деформация волнового фронта, идущего из рабочей ветви, возникает как результат суммарного влияния погрешностей кон­ тролируемой поверхности и ее установки. Погрешности установки в направлении, перпендикулярном к оптической оси компенса­ тора, ведут к образованию несимметричной интерференционной картины, полученной в виде колец, что легко обнаруживает на­ блюдатель и устраняет в процессе юстировки рабочей ветви. Погрешности установки в продольном направлении сохраняют симметрию интерференционной картины, и поэтому их влияние трудно учесть непосредственно по виду интерференционной кар­ тины. В этом случае путем продольных перемещений компенса­ тора относительно АП добиваются минимального числа интерфе­ ренционных колец или минимального искривления интерферен-

125

ционных полос, т. е. находят наилучшее расположение элементов рабочей ветви. Эта операция занимает иногда много времени, тре­ бует от наблюдателя определенного навыка и неизбежно связана с субъективными погрешностями. Однако, зная результаты ра­ счета компенсатора и вид центральной интерференционной по­ лосы, можно исключить влияние погрешностей установки, не добиваясь полного устранения их при обработке результатов измерений, и дать более надежное заключение о качестве контро­ лируемой асферической поверхности.

точку М на высоте h над оптической осью. Для луча, идущего

Таким образом, для оценки качества телескопической системы в волновой мере необходимо знать ее угловые аберрации, т. е. зависимость h = / (а). Переход от угловых аберраций к волно­ вым в этом случае осуществляется весьма просто графическим способом: волновая аберрация для луча, идущего на высоте h, согласно формуле (24), численно равна площади заштрихован­ ной части фигуры (рис. 60).

Рассмотрим волновые аберрации автоколлимационной теле­ скопической системы для случая, когда волновой фронт, созда­ ваемый компенсатором, близок к теоретическому профилю кон­ тролируемой асферической поверхности, но не совпадает с ним

126

идущий на высоте h, после выхода из компенсатора идет под

и центр кривизны С0 при вершине АП не совпадает с параксиаль­ ным фокусом компенсатора F6, то луч, идущий в точку М ' , на­ правлен не по нормали к асферической поверхности и потому после отражения от нее составит некоторый угол а' с падающим

Рис. 61. К выводу формулы волновой аберрации автоколлимационной телескопической системы

лучом, а после выхода из компенсатора — угол а. Для опреде­ ления волновой аберрации автоколлимационной системы найдем связь между углом а и высотой h, полагая, что луч выходит из компенсатора на той же высоте, что и входит в него. Допускае­ мая при этом погрешность ничтожно мала, так как лучи, выхо­ дящие из компенсатора, направлены по нормалям к АП с вы­ сокой степенью точности.

Точки М' и М — оптически сопряженные. Применяя формулы параксиальной оптики, найдем линейное увеличение ß для ко­ ординаты у точки М' в обратном ходе лучей:

127

соотношениям (25), а == 2A<pß. Подставляя найденные'значения а

компенсатора — параллельно оси. Этому лучу соответствует либо вогнутый, либо выпуклый участок волнового фронта, либо точка перегиба (рис. 62). На оптической оси в силу симметрии системы точки перегиба быть не может. Знаки экстремальных участков волнового фронта на оси системы и на некоторой высоте h для

ние 2h измеряется непосредственно по интерференционной кар­ тине с использованием несложных приспособлений. Из расчета

128

вычисленными по формуле (27), определяют собственные погреш­ ности АП, при этом влияние продольной расфокусировки будет исключено. Поскольку лучи света отражаются от АП, то полу­ ченные значения волновой аберрации равны удвоенным значе­ ниям погрешностей АП, измеренным по нормалям к последней. Аналогично поступают и в том случае, когда экстремальные уча­ стки волнового фронта соответствуют точкам перегиба.

Если компенсатор идеален, т. е. Лк = 0 для всех значений <р, но Дс ф 0, то согласно формуле (27)

ровки центральная интерференционная полоса представляет собой параболу. В этом случае можно определить погрешности АП при любой, но достаточно малой расфокусировке, так как откло­ нения измеренных значений волновых аберраций от параболи­ ческого закона и есть удвоенные погрешности АП.

Формула (28) позволяет определить чувствительность системы к продольным расфокусировкам. Если положить допустимую

ферометра в этом случае должны иметь соответствующую точ­ ность.

Рассмотрим часто встречающийся на практике случай, когда контролируемая АП имеет отверстие в центре. Пусть ср2 и <рх — углы нормалей с осью соответственно для внутреннего и внеш­ него краев асферической поверхности (ф2 > Фі). Для этого слу­ чая формула (27) примет вид

Ч>2

N = 2 I Дк sin фcos ф с?ф — Дс sin (ф2 -f фг) sin (ф2 — фх). (29)

Ф«

Если Дк Ф 0 и Дс Ф 0, то погрешность АП определяют ана­ логично рассмотренному случаю. Для идеального компенса­ тора, когда Дк = 0, интерференционная полоса, как видно из формулы (29), представляет собой дугу параболы; определение погрешностей аналогично рассмотренному случаю для сплош­ ной АП.