Лазерный интерферометр для контроля асферических поверхностей методом анаберрационных точек

ВВЕДЕНИЕ
В данной работе нам необходимо будет рассмотреть лазерный интерферометр для контроля асферических поверхностей методом анаберрационных точек.
Наша главная задача заключается в том, чтобы разработать такой интерферометр, который будет контролировать вогнутые гиперболоиды методом анаберрационных точек. Контролируемая асферическая поверхность является поверхностью второго порядка.
Отражающие асферические поверхности второго порядка, образованные
вращением кривых второго порядка вокруг оси, соединяющей их геометрические фокусы, имеют значительное оптическое свойство: геометрические фокусы
этих поверхностей являются оптически сопряжёнными анаберрационными точками. В большинстве случаев асферические поверхности второго порядка располагают в оптических системах так, чтобы линия, соединяющая геометрические
фокусы, совпала с оптической осью системы.
Оптические элементы с выпуклыми гиперболическими поверхностями
находят широкое применение в медицинских оптических приборах, объективах
специального назначения, астрономической оптике и других системах. Качество
этих асферических поверхностей всегда определяет качество прибора. Под качеством поверхности понимают соответствие изготовленной поверхности ее теоретической форме. Для высокоточных оптических поверхностей допустимое отклонение действительной формы поверхности от ее теоретического вида исчисляется долями длины волны света.
Используемый нами в работе метод анаберрационных точек на сегодняшний день является одним из нескольких методов контроля асферических поверхностей. Помимо него используют ещё метод пробных стёкол и компенсационный метод.6
Сущность метода анаберрационных точек заключается в том, чтобы имеющиеся аберрации были равны нулю. Проверить это мы сможем с помощью программы Zemax.
В данной работе нам необходимо будет подобрать интерферометр, произвести габаритный расчёт рабочей ветви, рассчитать конструктивные параметры
рабочей ветви, рассчитать основные параметры рабочей ветви, произвести габаритный расчёт осветительной ветви, произвести расчёт конструктивных параметров телескопической системы осветительной ветви, выбрать двухлинзовый
склееный объектив, выбрать плосковыпоклую линзу, произвести расчёт эталонной ветви, произвести габаритный расчёт регистрирующей ветви, подобрать матрицу, произвести светоэнергетический расчёт, в котором необходимо выбрать
подходящий лазер, чьи параметры позволят достичь необходимого отношения
сигнал/шум. Также мы должны будем подобрать конструкцию для крепления лазера.
Почему в нашей работе мы будем использовать метод анаберрационных
точек, а не компенсационный или пробных стёкол?
Метод пробных стекол не получил широкого распространения; его недостатками являются контактность и сложность изготовления асферического пробного стекла. В отличие от метода пробных стекол, компенсационный метод
весьма распространен. Однако в некоторых задачах его применение не целесообразно. Это обусловлено индивидуальностью компенсатора и тем, что размеры
последнего соизмеримы, либо превосходят размеры контролируемой поверхности.
Разработка метода контроля, свободного от перечисленных выше недостатков, является актуальной задачей. В нашей работе будет использован интерферометр для контроля качества отражающих выпуклых гиперболических поверхностей с местной погрешностью формы 0,05 и более длины волны методом
анаберрационных точек.7
Указанный метод основан на использовании свойства геометрических фокусов отражающих асферических поверхностей второго порядка, являющихся
парой оптически сопряженных анаберрационных точек. Идея метода заключается в применении расположенной между фокусами гиперболической поверхности плоскопараллельной пластины для создания рабочего и эталонного волновых фронтов. [1

Асферические поверхности
1.1 Применение асферических поверхностей 2-го порядка
Асферические поверхности применяются для повышения качества изображения, контраста и предела разрешения системы, увеличения угла поля зрения и
относительного отверстия, замены сложной многолинзовой системы более простой системой с меньшим числом линз или зеркал с асферическими поверхностями с целью уменьшения габаритов и веса системы.
В наши дни область применения асферических поверхностей непрерывно
расширяется в оптических системах различного назначения. В их числе: современная фотографическая оптика, астрономическая оптика, современные зеркальные объективы для нанолитографии. [2]
Асферические поверхности в последнее время всё шире применяются в автомобильных осветительных системах, а также в офтальмологии, в частности
для создания полифокальных очков (Essilor). [3] Введение в оптические приборы
асферических поверхностей позволяет расширить возможности и область применения приборов, упростить оптические системы при одновременном улучшении их оптических характеристик.
Оптические детали с асферическими поверхностями применяются как в
сравнительно простых системах, например, фотографических, не требующих
предельной точности, так и в прецизионных телескопических, астрономических
приборах, в прецизионных системах микрооптики, в комплексах для нанолитографии.
Массовое применение асферических поверхностей ранее было затруднено
сложностью их изготовления и, особенно, контроля, в частности, в случаях, когда требуются поверхности повышенной точности. Итак, наряду с методами из-9
готовления асферических поверхностей не менее важно иметь и методы контроля их формы, без которых невозможен технологический процесс и изготовление систем, включающих асферические поверхности необходимой сложной
формы и точности
Сущность метода анаберрационных точек
Известно, что отражающие эллипсоиды, параболоиды и гиперболоиды обладают парами оптически сопряженных анаберрационных точек, которые совпадают с их геометрическими фокусами. Использование этих точек для контроля
формы асферической поверхности сводится к тому, что в одну из анаберрационных точек помещают точечный источник света, а другую точку совмещают с
центром кривизны вспомогательного (автоколлимирующего) зеркала. Таким образом создают автоколлимационную систему, которую устанавливают в измерительную ветвь интерферометра. Метод, основанный на использовании хода лучей через анаберрационные точки асферической поверхности второго порядка,
принято называть методом анаберрационных точек. [4]
Основной недостаток классического варианта реализации этого метода заключается в необходимости изготовления высокоточного сферического зеркала,
диаметр которого часто в несколько раз превышает диаметр контролируемой
асферической поверхности. В центре поверхности зеркала всегда имеется отверстие, через которое световые лучи входят в измерительную ветвь интерферометра. В результате центральная зона асферической поверхности оказывается
неконтролируемой, что допустимо только в случаях, когда она имеет отверстие
в центре. Наиболее сложно контролировать выпуклые асферические поверхности второго порядка, поскольку конструктивные параметры вспомогательных
зеркал, необходимых для их контроля, оказываются неприемлемыми для практического применения.11
Поверхности, образованные вращением кривых 2 порядка вокруг их оси
симметрии, имеют полезное свойство: наличие пары анаберрационных точек, являющихся геометрическими фокусами этих кривых. Для сферы обе анаберрационные точки совпадают с её центром кривизны. Для гиперболоида, образованного вращением гиперболы вокруг оси, проходящей через её вершину, анаберрационные точки расположены по разные стороны от поверхности и на конечном
расстоянии друг от друга.
На рисунке 2 представлены анаберрационные точки F1 и F2 отражающих
гиперболических поверхностей 2 порядка

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ
НА ТЕМУ:
«Лазерный интерферометр для контроля
асферических поверхностей методом
анаберрационных точек»
РЕФЕРАТ
Расчётно-пояснительная записка 57 страниц, 20 рисунков, 3 таблицы, 12
источников.
АСФЕРИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, КОНТРОЛИРУЕМАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ИНТЕРФЕРОМЕТР
Объектом работы является двумерная модель теплопроводности в стенах
помещения, с которой нам предстоит работать
Цель работы — разработать лазерный интерферометр для контроля асферических поверхностей второго порядка на примере вогнутого гиперболоида
вращения.
Поставленная цель достигается экспериментальным способом: подбираем
необходимый интерферометр, производим габаритный расчёт ветвей: рабочей,
осветительной, эталонной, регистрирующей, затем производим светоэнергетический расчёт
СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ ....................................... .
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 5
1 Асферические поверхности ............................................................ 8
1.1 Применение асферических поверхностей 2-го порядка……...…8
1.2 Сущность метода анаберрационных точек................................ 10
1.3 Принцип работы интерферометра Тваймана-Грина................. 16
2 Габаритный расчёт ............
2.1 Расчёт рабочей ветви .......
2.1.1 Исходные данные ....................................................................... 19
2.1.2 Расчёт конструктивных параметров рабочей ветви ................ 20
2.1.3 Расчёт основных параметров рабочей ветви............................ 22
2.2 Расчёт осветительной ветви ...................................................... 23
2.2.1 Выбор лазера............................................................................... 23
2.2.2 Расчёт конструктивных параметров телескопической системы
осветительной ветви................................................................................ 24
2.2.3 Выбор двухлинзового склеенного объектива .......................... 25
2.2.4 Выбор плосковыпуклой линзы.................................................. 29
2.3 Расчёт эталонной и регистрирующей ветви............................ 30
2.3.1 Выбор матрицы........................................................................... 33
3 Светоэнергетический расчёт ....................................................... 35
4 Узлы крепления ............................................................................ 43
4.1 Узел крепления лазера ...................................................................... 44
4.2 Узел крепления эталонного зеркала ................................................ 46
4.3 Узел крепления микрообъектива ..................................................... 48
4.4 Узел крепления сферического зеркала и контролируемой детали49
4.5 Узел крепления плоскопараллельной пластины............................. 50
4.6 Узел крепления матричного приемника излучения ....................... 51
4.7 Узел крепления телескопической системы..................................... 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .............................. 54
Приложение А.......................................................................................... 55

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1) Пуряев Д.Т., Кулакова Н.Н., Бурмак Л.И. Интерферометр для контроля
выпуклых гиперболических поверхностей малого. — Москва.: Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 2 c.
2) Афанасьев В.А. Оптические измерения - Москва.: Высшая школа, 1981.
- 35 с.
3) Кирилловский В.К., Гаврилов Е.В. Оптические измерения. — Санкт-Петербург: Изд-во ИТМО, 2009. — 3 c.
4) Лазарева Н.В., Пуряев Д.Т. Проектирование измерительных ветвей интерферометров для контроля форм оптических поверхностей. — Москва: Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. — 7 с.
5) Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей.
— Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1976. — 65 с.
6) Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. - 4-е изд., стер. - СПб.:
Лань, 2008. - 213 с.
7) Креопалова Г. В., Пуряев Д. Т. Исследование и контроль оптических систем. - Москва.: Машиностроение, 1978. - 78 с.
8) Коломийцев Ю.В. Интерферометры - Ленинград.: Машиностроение,
1976. - 107 с.
9) Витриченко В.А. Методы исследования астрономической оптики. —
Москва.:Искусство, 1978. — 121 c.
10) Волосов Д.С, Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем -
Москва.: Искусство, 1960. - 98 с.
11) Максутов Д. Д. Астрономическая оптика — Ленинград.: Наука, 1979.
125 с.
12) Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. — Ленинград.: Машиностроение, 1983. 157 с.