RU71005U1 - DEVICE FOR MEASURING WAVE ABERRATIONS OF A SPHERICAL MIRROR - Google Patents

Abstract

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.The proposed technical solution relates to the field of technical physics, and, in particular, to measuring technology and can be used to control the surface shape of objects, for example, mirror surfaces of elements of telescopic systems during their certification in the workshop.

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.A device for measuring wave aberrations of a spherical mirror contains a sequentially installed point source of light probing radiation, a diaphragm and a rotating Nipkov disk for sequentially-alternately supplying probing radiation to the surface of a controlled mirror. Processing of the light signal reflected from the mirror surface is carried out using a two-dimensional matrix connected to the processor for calculating the displacement of the reflected probe beams. The technical result from the use of a technical solution is to increase the accuracy of measuring wave aberrations of a spherical mirror and to ensure automation of the measurement process.

Description

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.The proposed technical solution relates to the field of technical physics, and, in particular, to measuring technology and can be used to control the surface shape of objects, for example, mirror surfaces of elements of telescopic systems during their certification in the workshop.

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.Known devices for measuring the shape of the surface of a mirror using a template, spherometer or microscope, see, for example, "Optical production control", ed. D. Malakary, M. Mash, 1985, p. 364.

Недостатком данных устройств является то, что контроль поверхности ограничен лишь измерением средних, интегральных характеристик радиуса поверхности.The disadvantage of these devices is that surface control is limited only by measuring the average, integral characteristics of the surface radius.

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.Interference devices for measuring surface shape parameters are also known according to the results of the analysis of the wavefront formed by the surface under study, see Kreopalova G.P., Puryaev D.T. "Research and control of optical systems", M, Mash., 1978, p.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.The disadvantage of these technical solutions is the complexity of their design, associated with increased requirements for the quality of the optical elements of the product, the mandatory presence of reference elements, etc.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является устройство для измерения аберраций сферического зеркала, содержащее, точечный источник зондирующего светового The closest technical solution (prototype) to the proposed one is a device for measuring aberrations of a spherical mirror, containing a point source of probing light

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.radiation with a block for receiving and processing a light signal reflected from the mirror surface, located in the region of the plane of its center of curvature on opposite sides of the optical axis of the mirror, and a mask with holes for the passage of probing light radiation, placed between a point source and a mirror, see V.A. Zvereva, S. A. Rodionova and others. “Technological control of the BTA main mirror by the Hartmann method”, Optical-fur. industry, 1977, No. 3, p. 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.The disadvantage of this device is the reduced spatial resolution, which does not provide the ability to detect surface defects in size significantly smaller than the distance between the holes of the mask, which is the reason for the appearance of errors in the reconstruction of the wavefront. To detect surface errors between the screen openings, you can apply the screen rotation procedure and integrate the measurement results, and to increase the reliability of measurements, perform them repeatedly. Implementing these actions in the prototype is technically difficult. Therefore, the disadvantages of the prototype should also include increased complexity and the complete lack of automation of the presentation of measurement results.

Технический результат от использования предложенного технического решения заключается в повышении точности измерения волновых аберраций сферического зеркала и обеспечении возможности автоматизации обработки результатов измерений.The technical result from the use of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measuring wave aberrations of a spherical mirror and providing the ability to automate the processing of measurement results.

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, In accordance with the proposed solution, the above technical result is achieved that in a device for measuring the wavefront aberrations of a spherical mirror containing, a point source of probing light radiation with a unit for receiving and processing a light signal reflected from the mirror surface, located in the region of the plane of its center of curvature on opposite sides of the optical the axis of the mirror, and a mask with holes for the passage of probing light radiation, placed between a point source and a mirror,

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.additionally contains a diaphragm, and the mask with holes for the passage of the probe radiation is made in the form of a rotating Nishov disk, the latter being mounted between the focal plane of the mirror and the plane of the center of curvature, and the diaphragm is placed in front of the Nipkov disk to ensure sequential-sequential passage through the holes of the probe light radiation to the surface of a spherical mirror.

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.In addition, the information reception and processing unit is made in the form of a two-dimensional matrix of position-sensitive photocells connected to a processor for calculating the offset of the reflected probe beams from the center of the matrix.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 диск Нипкова в увеличенном масштабе с пояснением принципа его работы.Figure 1 shows a diagram of the proposed device; figure 2 Nipkova disk on an enlarged scale with an explanation of the principle of its operation.

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 The proposed device contains a point source of probing light radiation, made on the basis of the emitter-1 (for example, a laser), the fiber-2 with a point diaphragm-3 at its output, located in the center of curvature of the studied mirror-4. Aperture-5 and a mask with holes in the form of a Nipkova-6 disk are sequentially installed behind a point source of probing light radiation (for the design of the Nipkov disk, see, for example, A.S. Dubovik, “Photographic registration of fast processes”, Nauka, M, 1975, p. .114) with its rotation-7 drive connected to a governing body made on the basis of computer-8. For registration and research of probing light radiation reflected from the surface of mirror-4, the device provides a unit for receiving and processing information in the form of a two-dimensional matrix-9 position-photosensitive elements connected to a processor-10 for calculating the image displacement (reflected probe beams) from the center of the matrix -9, the output of which is connected to computer-8. To ensure the most optimal mode of operation of the device, the matrix-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).and aperture-3 are placed in a common plane and on opposite sides of the optical axis of mirror-4, and their centers are equidistant from the latter, while the Nipkova-6 disk is mounted between the focal plane of the mirror and the plane of its center of curvature (see Figure 1).

Рассмотрим функционирование диска Нипкова с помощью Фиг.2.Consider the operation of the Nipkova disk using Figure 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 (1₁, 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.On the rotating disk-6, N (for example 10) holes are made, arranged in a spiral of Archimedes, converging from the periphery to the center of the disk. When the disk rotates, the holes describe arcs (1 ₁ , 2 ₁ , ... 10 ₁ ) of concentric circles with a common center located on the axis of the disk-6. The light zone-11 of the illumination (by a point source) of the disk-6 will be sequentially-sequentially scanned by the holes of the disk in two coordinates, while at any time there are no more than one hole within the light zone.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.

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 The radiation from the radiation source 1, going through the optical fiber 2, is focused on the point diaphragm 3, at the output of which probing light radiation with a spherical wavefront is formed. Next, using a diaphragm -5, a light beam with a solid angle in the form of a cone with a base similar to the light diameter of a spherical mirror and forming a light zone-11 on the Nipkova-6 disk is cut out from the probe radiation (see Fig. 1, Fig. 2). The holes of the Nipkova-6 disk during its rotation from the drive-7, controlled by computer-8, diaphragm the light zone-11 sequentially and alternately, providing sequential-sequential passage of the probing light radiation to the examined surface of the mirror-4. A diaphragmed wavefront, falling on a spherical mirror-4, illuminates a fragment of its surface in the form of an elementary platform-12, reflecting from which it focuses on a two-dimensional matrix-9 position-sensitive photodetectors connected to

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.the processor-10 calculates the displacement of the image of a point light source created by the elementary platform-12 on the surface of a spherical mirror. The signals from processor-10 are fed to computer-8, where the wavefront is reconstructed and the wave aberrations of the spherical mirror are calculated. To optimize the measurement process, the center of the matrix-9 and the diaphragm-5 are located in the plane of the center of curvature of the mirror and are shifted in the transverse direction of the optical axis of the mirror in opposite directions by the same distance. The proposed design does not contain elements (such as beam splitters) that can distort the wavefront supplied and reflected from the mirror. The procedure for reconstructing the wavefront and calculating the wave aberrations of a spherical mirror can be performed in a standard way; see, for example, Mayall N.V., Vasilevskis S. - Astron.J., 1960, vol. 65, No. 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.Using the proposed technical solution, it is possible to identify in more detail and with a higher frequency the zonal deviations of the mirror surface shape, which eliminates a significant drawback - reduced spatial resolution of measurements and allows to increase the accuracy of wavefront reconstruction, which ultimately increases the accuracy of measuring wave aberrations spherical mirror, and also allows you to automate the presentation of measurement results for their subsequent boiling treatment on the computer.

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.From the above it follows that the proposed technical solution when used gives a technical result, which consists in increasing the accuracy of measuring wave aberrations of a spherical mirror and allows you to automate the process of controlling the surface quality of optical elements.

По материалам заявки на предприятии в настоящее время изготовлен опытный образец изделия, испытания которого подтвердили достижение указанного технического результата.Based on the application materials, the enterprise has currently made a prototype of the product, tests of which confirmed the achievement of the specified technical result.

Claims (2)

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.1. A device for measuring wave aberrations of a spherical mirror, containing a point source of probing light radiation with a unit for receiving and processing the light signal reflected from the mirror surface, located in the region of the plane of its center of curvature on opposite sides of the optical axis of the mirror, and a mask with holes for the passage of the probing light radiation, placed between a point source and a mirror, characterized in that it is equipped with a diaphragm, and a mask with holes for passage of the probe radiation is made on in the form of a rotating Nipkova disk, the latter being mounted between the focal plane of the mirror and the plane of the center of its curvature, and the diaphragm is placed in front of the Nipkow disk to provide sequential-sequential passage of probing light radiation through its holes on the surface of a spherical mirror. 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.

2. The device according to claim 1, characterized in that the information receiving and processing unit is made in the form of a two-dimensional matrix of position-sensitive photocells connected to a processor for calculating the offset of the reflected probe beams from the center of the matrix.