RU2766851C1 - Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces - Google Patents
Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766851C1 RU2766851C1 RU2021105074A RU2021105074A RU2766851C1 RU 2766851 C1 RU2766851 C1 RU 2766851C1 RU 2021105074 A RU2021105074 A RU 2021105074A RU 2021105074 A RU2021105074 A RU 2021105074A RU 2766851 C1 RU2766851 C1 RU 2766851C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical element
- light source
- diaphragm
- axial
- axial synthesized
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/32—Holograms used as optical elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления крупногабаритных и светосильных оптических элементов и компонентов преимущественно для телескопических систем различного назначения, а именно к метрологическому обеспечению процессов формообразования крупногабаритных асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности вогнутых зеркал телескопов (в том числе составных главных зеркал телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена), и может быть использовано на всех стадиях их производства и аттестации.The invention relates to the field of manufacturing large-sized and high-aperture optical elements and components, mainly for telescopic systems for various purposes, namely, to metrological support for the processes of shaping large-sized aspherical optical surfaces with a large steepness and asphericity gradient of concave mirrors of telescopes (including composite main mirrors of telescopes of the Cassegrain type and Ritchie-Chrétien) and can be used at all stages of their production and certification.
Известно голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей с большой крутизной [Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Устройство для контроля качества оптических поверхностей сложной формы // Авт. свид. СССР №413373. Бюл. №4 от 30.01.1974 г., заявка №1789673 от 29.05.1972 г.], содержащее монохроматический точечный источник света, коллиматор, светоделитель и осевой синтезированный голограммный оптический элемент с выпуклой сферической рабочей поверхностью вращения.A holographic device is known for controlling the shape of aspherical optical surfaces with high steepness [Lukin A.V., Mustafin K.S., Rafikov R.A. A device for quality control of optical surfaces of complex shape // Ed. certificate USSR No. 413373. Bull. No. 4 dated January 30, 1974, application No. 1789673 dated May 29, 1972], containing a monochromatic point light source, a collimator, a beam splitter and an axial synthesized hologram optical element with a convex spherical working surface of rotation.
Это голографическое устройство основано на реализации схемы контроля автоколлимационного типа, в которой осевой синтезированный голограммный оптический элемент непосредственно участвует в формировании изображения контролируемой оптической поверхности, внося тем самым значительные искажения в интерференционные полосы получаемых интерферограмм.This holographic device is based on the implementation of an autocollimation control scheme, in which an axial synthesized hologram optical element is directly involved in the formation of an image of the controlled optical surface, thereby introducing significant distortions into the interference fringes of the resulting interferograms.
Известно голографическое устройство для контроля формы составного вогнутого главного зеркала телескопа типа Кассегрена [Лукин А.В., Мельников А.Н., Скочилов А.Ф., Пышнов В.Н. О возможностях лазерно-голографического контроля процессов сборки и юстировки составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» // Оптический журнал. 2017. Т. 84. №12. С. 45-49.], содержащее четыре идентичных оптических канала контроля, в каждом из которых используется свой оригинальный осевой синтезированный голограммный оптический элемент.A holographic device for controlling the shape of a composite concave main mirror of a Cassegrain telescope is known [Lukin A.V., Melnikov A.N., Skochilov A.F., Pyshnov V.N. On the possibilities of laser-holographic control of the processes of assembly and adjustment of the composite primary mirror of a telescope on the example of the space observatory "Millimetron" // Optical journal. 2017. V. 84. No. 12. S. 45-49.], containing four identical optical control channels, each of which uses its own original axial synthesized hologram optical element.
Каждый из этих четырех идентичных оптических каналов контроля содержит по ходу лучей лазерный источник света, расширитель светового пучка, первый светоделитель, первый формирующий объектив, первое диагональное зеркало, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения, второе диагональное зеркало, второй формирующий объектив, второй светоделитель, опорное зеркало; сопрягающий объектив, пространственный фильтр, регистрирующую камеру, блок отображения и обработки информации.Each of these four identical optical control channels contains along the beams a laser light source, a light beam expander, the first beam splitter, the first shaping lens, the first diagonal mirror, an axial synthesized hologram optical element with a flat working surface of rotation, the second diagonal mirror, the second shaping lens, second beam splitter, reference mirror; a conjugating lens, a spatial filter, a recording camera, a unit for displaying and processing information.
Прототипом является голографическое устройство для контроля формы крупногабаритных асферических оптических поверхностей, содержащее лазерный источник света, первый светоделитель для разделения световых пучков в измерительный и опорный каналы, второй светоделитель для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов и направления в канал регистрации и обработки изображения, при этом опорный канал содержит расширитель светового пучка, а измерительный канал содержит формирователь монохроматического точечного источника света, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения, на который нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, и коллимирующий объектив [Аверьянова Г.И., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Контроль больших асферических поверхностей с помощью круговых искусственных голограмм // Оптико-механическая промышленность. 1975. №6. С. 60, рис. 1а].The prototype is a holographic device for controlling the shape of large-sized aspherical optical surfaces, containing a laser light source, the first beam splitter for separating light beams into the measuring and reference channels, the second beam splitter for combining the light beams of the measuring and reference channels and directing them to the channel for recording and image processing, while the reference channel contains a light beam expander, and the measuring channel contains a shaper of a monochromatic point light source, an axial synthesized hologram optical element with a flat working surface of rotation, on which a coaxial annular diffraction structure is applied, and a collimating lens [Averyanova G.I., Larionov N.P. ., Lukin A.V., Mustafin K.S., Rafikov R.A. Control of large aspherical surfaces using circular artificial holograms // Optical-mechanical industry. 1975. No. 6. S. 60, fig. 1a].
Крупногабаритные вогнутые асферические оптические поверхности (КВАП) с большой крутизной и градиентом асферичности, как монолитных, так и составных асферических зеркал и линз характеризуются наличием одновременно поперечной и продольной сферических аберраций световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, причем величина поперечной сферической аберрации световых лучей, как правило, существенно больше величины соответствующей продольной сферической аберрации световых лучей. При контроле формы КВАП требуется обеспечить получение конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре.Large-sized concave aspherical optical surfaces (QAPS) with a large steepness and asphericity gradient, both monolithic and composite aspherical mirrors and lenses, are characterized by the presence of both transverse and longitudinal spherical aberrations of light rays reflected from the controlled optical surface, and the magnitude of the transverse spherical aberration of light rays, as a rule, it is much larger than the value of the corresponding longitudinal spherical aberration of light rays. When controlling the shape of the QUAP, it is necessary to provide a congruence of diffracted light rays with a large non-homocentricity at a large angular aperture.
Основным недостатком аналогов и прототипа является то, что в силу конструктивных особенностей осевые синтезированные голограммные оптические элементы известных устройств не могут компенсировать продольную сферическую аберрацию световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, а могут компенсировать только соответствующую поперечную сферическую аберрацию, что приводит к необходимости использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов с чрезмерно большими световыми диаметрами.The main disadvantage of analogues and the prototype is that, due to the design features, the axial synthesized hologram optical elements of known devices cannot compensate for the longitudinal spherical aberration of light rays reflected from the controlled optical surface, but can only compensate for the corresponding transverse spherical aberration, which leads to the need to use axial synthesized hologram optical elements with excessively large light diameters.
В частности, для осуществления «полноразмерного» контроля формы составного главного зеркала телескопа космической обсерватории «Миллиметрон» световым диаметром 10000 мм и уравнением рабочей вогнутой асферической оптической поверхности у2=9600х в силу своей чрезвычайно высокой асферичности и крутизны формы потребовался бы осевой синтезированный голограммный оптический элемент с плоской рабочей поверхностью вращения световым диаметром не менее пяти метров, что при современном состоянии технологии невозможно обеспечить.In particular, for the implementation of "full-size" control of the shape of the composite main mirror of the telescope of the space observatory "Millimetron" with a light diameter of 10000 mm and the equation of the working concave aspherical optical surface y 2 = 9600x, due to its extremely high asphericity and steepness of the shape, an axial synthesized hologram optical element would be required with a flat working surface of rotation with a light diameter of at least five meters, which cannot be provided with the current state of technology.
Подобную задачу не решит и осевой синтезированный голограммный оптический элемент с выпуклой сферической рабочей поверхностью вращения, так как в данном случае требуемый его световой диаметр будет порядка нескольких метров.An axial synthesized hologram optical element with a convex spherical working surface of rotation will not solve a similar problem, since in this case its required light diameter will be of the order of several meters.
Техническим результатом изобретения является обеспечение контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности за счет уменьшения габаритов осевого синтезированного голограммного оптического элемента в результате использования дифракционной структуры, выполненной на конической рабочей поверхности подложки, обеспечивающей компенсацию продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, при получении конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре.The technical result of the invention is to provide control over the shape of large-sized concave aspherical optical surfaces with a large steepness and asphericity gradient by reducing the dimensions of the axial synthesized hologram optical element as a result of using a diffractive structure made on the conical working surface of the substrate, which provides compensation for the longitudinal spherical aberration of light rays reflected from controlled optical surface, while obtaining a congruence of diffracted light rays with a large non-homocentricity at a large angular aperture.
Технический результат достигается за счет того, что в голографическом устройстве для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей, содержащем лазерный источник света, первый светоделитель для разделения световых пучков в измерительный и опорный каналы, второй светоделитель для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов и направления в канал регистрации и обработки изображения, при этом опорный канал содержит расширитель светового пучка, а измерительный канал содержит формирователь монохроматического точечного источника света, осевой синтезированный голограммный оптический элемент с рабочей поверхностью вращения, на которую нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, и коллимирующий объектив, согласно настоящему изобретению, в измерительном канале введены точечная диафрагма, установленная с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой оптической поверхности, и диафрагма с переменным световым диаметром, расположенная в фокальной плоскости коллимирующего объектива, при этом рабочая поверхность осевого синтезированного голограммного оптического элемента выполнена в виде кругового конуса, обращенного вершиной в сторону монохроматического точечного источника света, причем осевой синтезированный голограммный оптический элемент установлен с возможностью формирования совместно с контролируемой оптической поверхностью изображения монохроматического точечного источника света в плоскости диафрагмы с переменным световым диаметром.The technical result is achieved due to the fact that in a holographic device for controlling the shape of large-sized concave aspherical optical surfaces, containing a laser light source, the first beam splitter for separating light beams into the measuring and reference channels, the second beam splitter for combining the light beams of the measuring and reference channels and directing to a channel for recording and processing an image, wherein the reference channel contains a light beam expander, and the measuring channel contains a shaper of a monochromatic point light source, an axial synthesized hologram optical element with a working surface of rotation, on which a coaxial annular diffractive structure is deposited, and a collimating objective, according to the present invention , a dot diaphragm is introduced in the measuring channel, installed with the possibility of placing the top of the controlled optical surface in its center, and a diaphragm with a variable light diameter, located i in the focal plane of the collimating lens, while the working surface of the axial synthesized hologram optical element is made in the form of a circular cone with its apex facing the monochromatic point source of light, and the axial synthesized hologram optical element is installed with the possibility of forming, together with the controlled optical surface, an image of a monochromatic point source light in the plane of the diaphragm with a variable light diameter.
А также тем, что осевой синтезированный голограммный оптический элемент выполнен в виде амплитудной отражательной голограммы.And also by the fact that the axial synthesized hologram optical element is made in the form of an amplitude reflective hologram.
На фиг. 1 изображена оптическая схема предложенного голографического устройства для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности на примере контроля формы составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон».In FIG. Figure 1 shows the optical scheme of the proposed holographic device for controlling the shape of large-sized concave aspherical optical surfaces with a large steepness and asphericity gradient using the example of controlling the shape of the Millimetron space telescope's composite main mirror.
На фиг. 2 изображен фрагмент оптической схемы измерительного канала предложенного голографического устройства в увеличенном масштабе.In FIG. 2 shows a fragment of the optical scheme of the measuring channel of the proposed holographic device on an enlarged scale.
На фиг. 3 изображен осевой синтезированный голограммный оптический элемент, выполненный на подложке с рабочей поверхностью в виде кругового конуса.In FIG. 3 shows an axial synthesized hologram optical element made on a substrate with a working surface in the form of a circular cone.
Голографическое устройство для контроля формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей содержит лазерный источник 1 света, первый светоделитель 2 для разделения световых пучков в измерительный канал, задающий оптическую ось OO1 устройства, и в опорный канал, второй светоделитель 3 для совмещения световых пучков измерительного и опорного каналов, расширитель 4 светового пучка, канал 5 регистрации и обработки изображения.A holographic device for controlling the shape of large-sized concave aspherical optical surfaces contains a laser light source 1, a
Измерительный канал содержит формирователь 6 монохроматического точечного источника света А, осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7, имеющий подложку 8 с рабочей поверхностью 9 вращения, на которую нанесена соосная кольцевая дифракционная структура, представляющая собой систему концентрических чередующихся отражающих 10 и неотражающих 11 колец, и коллимирующий объектив 12.The measuring channel contains a
Опорный канал содержит первое 13 и второе 14 поворотные зеркала, расположенные между первым 2 и вторым 3 светоделителями.The reference channel contains the first 13 and second 14 rotary mirrors located between the first 2 and second 3 beam splitters.
Расширитель 4 светового пучка размещен в опорном канале между вторым поворотным зеркалом 14 и вторым светоделителем 3.The
Канал 5 регистрации и обработки изображения содержит проекционный объектив 15, расположенный за вторым светоделителем 3, ирисовую диафрагму 16 для осуществления пространственной фильтрации изображения, светочувствительную матрицу 17, электрически связанную с блоком 18 отображения и обработки информации.The
Измерительный канал дополнительно содержит точечную диафрагму 19 и диафрагму 20 с переменным световым диаметром.The measuring channel additionally contains a
Точечная диафрагма 19 установлена с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой КВАП. Также с центром точечной диафрагмы 19 совмещен монохроматический точечный источник света А. При этом расстояние вдоль оптической оси OO1 от монохроматического точечного источника света А, совпадающего с вершиной контролируемой КВАП, до вершины осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 равно расчетному расстоянию а1. Точечная диафрагма 19 обеспечивает позиционирование на оптической оси OO1 монохроматического точечного источника света А, тем самым повышается точность операции юстировки контрольной схемы, а так же дополнительно обеспечивается пространственная фильтрация сферической волны, излучаемой монохроматическим точечным источником света А.The
Диафрагма 20 с переменным световым диаметром расположена в фокальной плоскости коллимирующего объектива 12 на расчетном расстоянии а2 от точечной диафрагмы 19 (расстояние вдоль оптической оси ОО1 от монохроматического точечного источника света А до изображения А' монохроматического точечного источника света).
Диафрагма 20 с переменным световым диаметром обеспечивает пространственную фильтрацию рабочей волны измерительного канала, отраженной от контролируемой КВАП, вблизи плоскости наименьшего кружка рассеяния (НКР), при этом по мере уменьшения погрешности формообразования контролируемой КВАП световой диаметр диафрагмы 20 может уменьшаться, в пределе приближаясь к дифракционному размеру НКР (к диаметру кружка Эри).
Рабочая поверхность 9 подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 выполнена в виде кругового конуса, обращенного вершиной в сторону монохроматического точечного источника света А.The working surface 9 of the
Формирователь 6 монохроматического точечного источника света А выполнен в виде микрообъектива.The
Осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7 установлен с возможностью формирования, совместно с контролируемой КВАП, изображения А' монохроматического точечного источника света в плоскости диафрагмы 20 с переменным световым диаметром.The axial synthesized hologram
Осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7 выполнен в виде амплитудной отражательной голограммы, что позволяет практически исключить зависимость дифракционной эффективности этого голограммного оптического элемента от угла падения лучей от монохроматического точечного источника света А в различных зонах его светового диаметра, тем самым обеспечить постоянство видности интерференционных полос получаемых интерферограмм в пределах контролируемого светового поля [Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973. С. 256-258].The axial synthesized hologram
Материалом подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 может быть бесцветное оптическое стекло марки К8, а для обеспечения температурной стабильности - кварцевое оптической стекло марки КУ-1 или ситалл марки СО115М [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 30-32].The
Закон чередования отражающих 10 и неотражающих 11 колец (частотная характеристика дифракционной структуры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7) в общем случае определяется расчетными значениями рабочей длины волны монохроматического точечного источника света, параметров выбранной схемы контроля, параметров рабочей поверхности контролируемой оптической детали и параметров подложки осевого синтезированного голограммного оптического элемента и рассчитывается по формуле [Белозеров А., Ларионов Н., Лукин А., Мельников А. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I // Фотоника. 2014. №4 (46). С. 14]:The law of alternation of reflective 10 and non-reflective 11 rings (the frequency response of the diffraction structure of the axial synthesized hologram optical element 7) is generally determined by the calculated values of the operating wavelength of the monochromatic point light source, the parameters of the selected control scheme, the parameters of the working surface of the controlled optical part and the parameters of the substrate of the axial synthesized hologram optical element and is calculated by the formula [Belozerov A., Larionov N., Lukin A., Melnikov A. Axial synthesized hologram optical elements: history of development, applications. Part I // Photonics. 2014. No. 4 (46). P. 14]:
где 
При расчете осевого синтезированного голограммного оптического элемента находят координаты краев ρ± m каждой m-й френелевской зоны (интерференционной полосы).When calculating the axial synthesized hologram optical element, the coordinates of the edges ρ ± m of each m-th Fresnel zone (interference fringe) are found.
Отражающие кольца 10 представляют собой металлические участки, обладающие свойством отражения для рабочего спектрального диапазона. Например, это может быть алюминиевое покрытие вакуумного напыления для ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного спектральных диапазонов, золотое - для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов.The
Неотражающие кольца 11 представляют собой участки с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами не менее 0,8, который определен путем оценочного расчета с использованием справочных данных по отражающим свойствам металлических покрытий и по зеркальным составляющим неотражающих колец в целях получения интерференционной картины с удовлетворительной видностью интерференционных полос при контроле формы КВАП с большой крутизной и градиентом асферичности монолитных и составных асферических зеркал и линз.Non-reflective rings 11 are areas with a contrast ratio between reflective and non-reflective rings of at least 0.8, which is determined by an estimated calculation using reference data on the reflective properties of metal coatings and on the mirror components of non-reflective rings in order to obtain an interference pattern with satisfactory visibility of the interference fringes when controlling the shape of QUAP with a large steepness and asphericity gradient of monolithic and composite aspherical mirrors and lenses.
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством поглощения для рабочего спектрального диапазона, могут быть реализованы в виде кольцевых зон из метаматериалов [Ивченко Е.Л., Поддубный А.Н. Резонансные трехмерные фотонные кристаллы // Физика твердого тела. 2006. Т. 48. Вып.3. С. 540-547].Non-reflective rings 11, which are areas with the absorption property for the working spectral range, can be implemented in the form of annular zones of metamaterials [Ivchenko E.L., Poddubny A.N. Resonance three-dimensional photonic crystals // Solid State Physics. 2006. V. 48.
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством пропускания для рабочего спектрального диапазона, могут быть получены путем, например, химического или ионно-плазменного вытравливания металлического отражающего покрытия в соответствующих кольцевых зонах голограммного оптического элемента [Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгожин и др.; Под ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 460-465].Non-reflective rings 11, which are areas with the property of transmission for the working spectral range, can be obtained by, for example, chemical or ion-plasma etching of a metallic reflective coating in the corresponding annular zones of a hologram optical element [Reference technologist-optics / M.A. Okatov, E.A. Antonov, A. Baigozhin and others; Ed. M.A. Okatova. - St. Petersburg: Polytechnic, 2004. S. 460-465].
Неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством рассеяния для рабочего спектрального диапазона, могут быть изготовлены путем локального нарушения с помощью специального алмазного резца или сфокусированного лазерного луча исходных отражающих свойств металлического отражающего покрытия в соответствующих кольцевых зонах рассчитанной дифракционной структуры голограммы (так называемые голограммы с «несущей» пространственной частотой нанесения колец [Белозеров А., Ларионов Н., Лукин А., Мельников А. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I // Фотоника. 2014. №4(46). С. 15-16]).Non-reflective rings 11, which are areas with scattering properties for the working spectral range, can be made by locally destroying the original reflective properties of the metallic reflective coating in the corresponding annular zones of the calculated diffraction structure of the hologram (the so-called holograms with "carrier" spatial frequency of deposition of rings [Belozerov A., Larionov N., Lukin A., Melnikov A. Axial synthesized hologram optical elements: history of development, applications. Part I // Photonics. 2014. No. 4(46). P. 15-16]).
Изготовление дифракционной структуры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7, содержащего подложку 8 с рабочей поверхностью 9 вращения в виде кругового конуса, возможно при помощи современных прецизионных токарных станков с числовым программным управлением методом «резца», либо лазерных установок методом «прямой записи» с дальнейшей химической или ионно-плазменной обработкой формируемой структуры.The manufacture of the diffractive structure of an axial synthesized hologram
Голографическое устройство работает следующим образом.The holographic device works as follows.
Вышедший из одночастотного лазерного источника 1 света пучок направляется к первому светоделителю 2. Светоделителем 2 он делится на два пучка - опорный и измерительный. Опорный пучок направляется к плоскости регистрации - плоскости светочувствительной матрицы 17 с помощью поворотных зеркал 13, 14, расширителя 4 светового пучка, проекционного объектива 15 и ирисовой диафрагмы 16. Измерительный пучок, после прохождения микрообъектива 6 и точечной диафрагмы 19, попадает на отражательный осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7.The beam emerging from the single-frequency laser light source 1 is directed to the
Отражательный осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7, выполняющий функцию оптического компенсатора, рассчитан так, что, работая совместно с идеально сформированной контролируемой КВАП, образует безаберрационную систему.The reflective axial synthesized hologram
Для КВАП с большой крутизной и градиентом асферичности характерно наличие одновременно поперечной и продольной сферических аберраций световых лучей, отраженных от этой контролируемой оптической поверхности. Компенсация продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой КВАП, происходит за счет использования дифракционной структуры с соответствующим расчетным законом чередования отражающих 10 и неотражающих 11 колец, выполненной на конической рабочей поверхности 9 подложки 8 осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7. При этом обеспечивается получение конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре. После отражения от контролируемой КВАП измерительный пучок, предварительно пройдя диафрагму 20 с переменным световым диаметром, с помощью коллимирующего объектива 12, второго светоделителя 3, проекционного объектива 15 и ирисовой диафрагмы 16 направляется в плоскость регистрации - плоскость светочувствительной матрицы 17, которая оптически сопряжена с контролируемой КВАП. Сформированное на светочувствительной матрице 17 сопряженное изображение контролируемой КВАП совместно с опорным пучком образует интерференционную картину, характеризующую отступления контролируемой КВАП от заданной формы. Полученная интерференционная картина регистрируется и расшифровывается при помощи блока 18 с применением соответствующих специализированных программных средств.For QUAC with a large steepness and asphericity gradient, the presence of both transverse and longitudinal spherical aberrations of light rays reflected from this controlled optical surface is characteristic. Compensation for the longitudinal spherical aberration of the light rays reflected from the controlled QUAP occurs due to the use of a diffraction structure with the corresponding calculated law of alternation of reflective 10 and non-reflective 11 rings, made on a conical working surface 9 of the
Рассмотрим более подробно схему лазерно-голографического контроля формы составного главного зеркала телескопа на примере космической обсерватории «Миллиметрон» и расчетные параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7.Let us consider in more detail the scheme of laser-holographic control of the shape of the composite main mirror of the telescope using the example of the space observatory "Millimetron" and the calculated parameters of the axial synthesized hologram
При лазерно-голографическом контроле формы КВАП составного главного зеркала этого телескопа реализуется схема контроля «из точки в другую точку» в целях исключения искажений при получении интерферограммы контролируемой оптической поверхности.During laser-holographic control of the shape of the QUAC of the composite main mirror of this telescope, a “point-to-point” control scheme is implemented in order to eliminate distortions when obtaining an interferogram of the controlled optical surface.
В измерительном канале из монохроматического точечного источника света А световой поток поступает на осевой синтезированный голограммный оптический элемент 7.In the measuring channel, from a monochromatic point light source A, the light flux enters the axial synthesized hologram
На дифракционной структуре осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 световой поток преобразуется в асферический геометрический фронт, после чего падает на КВАП контролируемого составного главного зеркала, которое состоит из центральной кольцевой зоны с круговым центральным отверстием и трех кольцевых ярусов, при этом панели, образующие центральную зону П1 и три яруса П2 - П4, имеют соответствующие размеры и зональную форму внеосевого вогнутого параболоида.On the diffraction structure of the axial synthesized hologram
После отражения от КВАП контролируемого составного главного зеркала образуется изображение А' монохроматического точечного источника света.After reflection from the QUAC of the controlled composite main mirror, an image A' of a monochromatic point light source is formed.
Расчетные значения параметров КВАП контролируемого составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон»:The calculated values of the QVAP parameters of the controlled composite primary mirror of the Millimetron space telescope:
- уравнение поверхности у2=9600х;- surface equation y 2 =9600x;
- световой диаметр D1=10000 мм;- light diameter D 1 =10000 mm;
- световой диаметр центрального отверстия D2=600 мм.- light diameter of the central hole D 2 =600 mm.
Расчетная рабочая длина волны λ=10,6 мкм.Estimated working wavelength λ=10.6 µm.
В результате расчета получены следующие значения:As a result of the calculation, the following values were obtained:
- параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 с подложкой 8, имеющей рабочую поверхность 9 вращения в виде кругового конуса:- parameters of an axial synthesized hologram
• световой диаметр основания D3=384 мм;• base light diameter D 3 =384 mm;
• угол при вершине кругового конуса γ=12,7°;• angle at the top of the circular cone γ=12.7°;
• тип осевого синтезированного голограммного оптического элемента - амплитудная отражательная голограмма;• type of axial synthesized hologram optical element - amplitude reflective hologram;
• диапазон пространственных частот ν дифракционной структуры от 120 до 190 мм-1 (частотная характеристика осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 носит нелинейный характер и изменяется от основания к вершине конической рабочей поверхности 9);• the range of spatial frequencies ν of the diffractive structure from 120 to 190 mm -1 (the frequency response of the axial synthesized hologram
• отражающие кольца 10 представляют собой участки синтезированного голограммного оптического элемента 7, реализованные в виде кольцевых зон с золотым отражающим покрытием вакуумного напыления толщиной 600 нм с адгезионным подслоем хрома толщиной 150 нм;•
• скважность Q=2 (ширина отражающего кольца 10 равна ширине неотражающего кольца 11);• duty cycle Q=2 (the width of the
• материал подложки - ситалл марки CO115М;• substrate material - glass-ceramic grade CO115M;
• подложка 8, имеющая рабочую поверхность 9 вращения в виде кругового конуса, может быть выполнена полой (облегченной) для снижения ее массы;• the
- параметры схемы контроля:- control scheme parameters:
• расстояние а1 (расстояние вдоль оптической оси OO1 от монохроматического точечного источника света А, совпадающего с вершиной КВАП контролируемого составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон», до вершины осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7) равно 2947 мм;• distance а 1 (distance along the optical axis OO 1 from the monochromatic point light source А, coinciding with the top of the QUAP of the controlled composite primary mirror of the Millimetron space telescope, to the top of the axial synthesized hologram optical element 7) is equal to 2947 mm;
• расстояние а2 (расстояние вдоль оптической оси OO1 от монохроматического точечного источника света А до изображения А' монохроматического точечного источника света) равно 13000 мм.• distance a 2 (distance along the optical axis OO 1 from the monochromatic point light source A to the image A' of the monochromatic point light source) is 13000 mm.
Примеры конкретного выполнения неотражающих колец 11:Examples of specific implementation of non-reflective rings 11:
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством поглощения с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,96, реализованы в виде кольцевых зон из трехмерных фотонных кристаллов на основе гранецентрированной кубической матрицы из синтетического опала, поры в которой заполнены диоксидом ванадия [Поддубный А.Н. Теория резонансных фотонных кристаллов и квазикристаллов / Автореф. дис. … канд. физ.-мат.наук; спец. 01.04.10 - Физика полупроводников. - СПб.: Цифровой типографский центр Изд-ва Политехи, ун-та, 2010. 19 с.];-
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством пропускания с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,93, получены путем ионно-плазменного вытравливания золотого отражающего покрытия;-
- неотражающие кольца 11, представляющие собой участки, обладающие свойством рассеяния с коэффициентом контраста между отражающими и неотражающими кольцами, равным 0,8, изготовлены путем локального нарушения золотого отражающего покрытия с помощью бицилиндрического алмазного резца.-
Видно, что расчетные параметры осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 и схема контроля формы КВАП на примере составного главного зеркала космического телескопа «Миллиметрон» являются технически реализуемыми.It can be seen that the calculated parameters of the axial synthesized hologram
Использование в предложенном голографическом устройстве осевого синтезированного голограммного оптического элемента 7 с дифракционной структурой, выполненной на конической рабочей поверхности 9 подложки 8, обеспечивающей компенсацию продольной сферической аберрации световых лучей, отраженных от контролируемой оптической поверхности, при получении конгруэнции дифрагированных световых лучей с большой негомоцентричностью при большой угловой апертуре, а также наличие в измерительном канале точечной диафрагмы 19, установленной с возможностью размещения в ее центре вершины контролируемой оптической поверхности, и диафрагмы 20 с переменным световым диаметром, расположенной в фокальной плоскости коллимирующего объектива 12, открывает возможность выполнять контроль формы крупногабаритных вогнутых асферических оптических поверхностей с большой крутизной и градиентом асферичности, как монолитных, так и составных асферических зеркал и линз не только в процессе их изготовления (в случае составных оптических элементов - в процессе сборки) и аттестации, но и в условиях эксплуатации в космосе в целях осуществления периодического контроля формы (мониторинга возможной разъюстировки), в частности, составных зеркал космических телескопов.The use in the proposed holographic device of an axial synthesized hologram
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021105074A RU2766851C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021105074A RU2766851C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2766851C1 true RU2766851C1 (en) | 2022-03-16 |
Family
ID=80736853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021105074A RU2766851C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2766851C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1017923A1 (en) * | 1981-07-23 | 1983-05-15 | Предприятие П/Я Г-4671 | Device for checking aspheric surfaces |
| US7072042B2 (en) * | 2001-12-21 | 2006-07-04 | Samsung Electronics Co., Ltd | Apparatus for and method of measurement of aspheric surfaces using hologram and concave surface |
| US7218403B2 (en) * | 2002-06-26 | 2007-05-15 | Zygo Corporation | Scanning interferometer for aspheric surfaces and wavefronts |
| RU2612918C1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-13 | Николай Петрович Ларионов | Device for determining positions of defects on aspherical surface of optical part (versions) |
| RU200617U1 (en) * | 2020-05-29 | 2020-11-02 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | HOLOGRAPHIC DEVICE FOR MEASURING THE RADIUS OF CURVATURE OF SPHERICAL SURFACES |
-
2021
- 2021-02-25 RU RU2021105074A patent/RU2766851C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1017923A1 (en) * | 1981-07-23 | 1983-05-15 | Предприятие П/Я Г-4671 | Device for checking aspheric surfaces |
| US7072042B2 (en) * | 2001-12-21 | 2006-07-04 | Samsung Electronics Co., Ltd | Apparatus for and method of measurement of aspheric surfaces using hologram and concave surface |
| US7218403B2 (en) * | 2002-06-26 | 2007-05-15 | Zygo Corporation | Scanning interferometer for aspheric surfaces and wavefronts |
| RU2612918C1 (en) * | 2015-09-04 | 2017-03-13 | Николай Петрович Ларионов | Device for determining positions of defects on aspherical surface of optical part (versions) |
| RU200617U1 (en) * | 2020-05-29 | 2020-11-02 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") | HOLOGRAPHIC DEVICE FOR MEASURING THE RADIUS OF CURVATURE OF SPHERICAL SURFACES |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3926264B2 (en) | Apparatus and method for measuring aspheric surface with concave surface and hologram | |
| US5933236A (en) | Phase shifting interferometer | |
| Pruss et al. | Computer-generated holograms in interferometric testing | |
| Asfour et al. | Asphere testing with a Fizeau interferometer based on a combined computer-generated hologram | |
| US9810825B2 (en) | Curved volume phase holographic (VPH) diffraction grating with tilted fringes and spectrographs using same | |
| EP3688406B1 (en) | Single-shot, adaptive metrology of rotationally variant optical surfaces using a spatial light modulator | |
| JP2004531760A (en) | Multifunctional element for symmetry and uniformity of light beam | |
| WO2012169935A2 (en) | Device for aligning a two-mirror centered optical system | |
| CN110007385B (en) | Holographic exposure system and method for manufacturing grating | |
| Tuell et al. | Optical testing of the LSST combined primary/tertiary mirror | |
| RU2766851C1 (en) | Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces | |
| RU205459U1 (en) | HOLOGRAPHIC DEVICE FOR CONTROL OF THE SHAPE OF LARGE-SIZED CONCAVE ASPHERIC OPTICAL SURFACES | |
| RU169716U1 (en) | Device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors | |
| RU2766855C1 (en) | Axial synthesized holographic optical element | |
| RU2786688C1 (en) | Holographic device for shape control of aspherical optical surfaces | |
| RU211189U1 (en) | Holographic Device for Shape Control of Aspherical Optical Surfaces | |
| RU205115U1 (en) | AXIAL SYNTHESIZED HOLOGRAM OPTICAL ELEMENT | |
| Poleshchuk | Computer generated holograms for aspheric optics testing | |
| Hutley et al. | Manufacture of blazed zone plates in germanium for use in the 10 micrometer spectral region | |
| Lukin et al. | Possibilities of laser-holographic monitoring of assembly and alignment of a segmented primary telescope mirror using the Millimetron space observatory as an example | |
| Song et al. | Optical test for the primary mirror of a space telescope using a CGH null lens | |
| Lukin et al. | New capabilities for laser holographic testing during assembly and collimation of large segmented telescope mirrors | |
| Hwang et al. | Phase-shifting diffraction-grating interferometer for testing concave mirrors | |
| Nasyrov et al. | Interferometric method for controlling the assembly quality of an optical system with an eccentrically arranged aspheric lense | |
| Semenov et al. | Computer Generated Holograms (CGH) for Testing, Alignment and Positioning of Astronomical and Space Mirrors Aspherical Surfaces |