Методы измерения и контроля формы выпуклых асферических зеркал оптических телескопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Дружин, Владислав Владимирович

• Дружин, Владислав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дружин, Владислав Владимирович

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ ОПТИЧЕСКИХ ТЕЛЕСКОПОВ.

1.1. Оптические системы современных крупных телескопов.

1.2. Методы и приборы контроля формы выпуклых асферических поверхностей.

1.2.1. Контактные механические и оптические методы.

1.2.2. Бесконтактные оптические методы контроля формы выпуклых асферических поверхностей.

1.3. Методы измерений и контроля параметров локальных зон.

1.4. Методы измерений и контроля геометрических параметров.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ

ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

2.1.1. Теоретические основы модифицированного метода Гартмана.

2.1.2. Анализ точности модифицированного метода Гартмана.

2.1.3. Экспериментальное исследование модифицированного метода Гартмана.

2.2.1. Модифицированный метод пограничной кривой.

2.2.2. Анализ точности модифицированного метода пограничной кривой.

2.3.1. Интерференционный метод.

2.3.2. Анализ точности интерференционного метода.

-3Стр.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МЕТОД ШАТЕЛЕН - ЛАНДВЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫПУКЛЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА.

3.1. Теоретические основы метода.

3.2. Анализ параметров интерференционной картины и методика определения основных геометрических параметров асферических зеркал второго порядка.

3.3. Оптическая схема интерферометра для измерения и контроля геометрических параметров выпуклых АП второго порядка.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы измерения и контроля формы выпуклых асферических зеркал оптических телескопов»

Оптическая астрономия в начале XXI века испытывает бурное развитие. Достижения наземной и космической астрономии подтверждают плодотворность усилий, направленных на создание новых, более совершенных оптических телескопов.

На сегодняшний день общая собирающая площадь поверхности крупных оптических телескопов в мире превышает 1000 м", причем 80% от всей площади было получено за последнее десять лет XX века. Такой рост будет продолжаться и дальше благодаря введению в эксплуатацию крупных телескопов 8. 10 -метрового класса (четвертого поколения) [1].

Создание телескопов нового поколения стало возможным благодаря общему технологическому развитию, при этом одним из решающих факторов, является технология изготовления и контроля высокоточных оптических деталей большого диаметра.

Наряду с успехами в этой области существуют и большие проблемы. Одна из которых - контроль формы выпуклых асферических зеркал крупных телескопов. Анализ литературных источников [1, 10, 11, 29, 36, 41] показал, что при диаметрах вторичных зеркал более 1 м, контроль формы их выпуклых асферических поверхностей оказывается весьма сложным и требует больших экономических затрат. Как правило, такие зеркала изготавливают из непрозрачных материалов, что исключает возможность их контроля в проходящем свете. Поэтому контроль в отраженном свете требует применения вспомогательных вогнутых сферических или асферических зеркал, причем диаметры этих зеркал иногда достигают нескольких метров. Использование для контроля АП компьютерно-синтезированных голограмм не избавляет от указанных трудностей, так как голографическая матрица в виде концентрических колец, должна быть нанесена на сферическую поверхность, соизмеримую по диаметру с контролируемой поверхностью.

Все известные к настоящему времени методы контроля применимы только для контроля полированных и зеркальных поверхностей, но малопригодны или принципиально неприемлемы для контроля шлифованных поверхностей.

Разработка новых методов контроля формы выпуклых зеркал приобретает особую актуальность сегодня, когда астрономы все более остро ощущают необходимость создания крупных наземных телескопов пятого поколения с главными зеркалами диаметром от 10 до 100 м. Несомненно, что главные зеркала таких телескопов будут сегментированными. Ученые, занимающиеся вопросами создания телескопов, полагают, что телескопы пятого поколения должны иметь главное зеркало сферической формы, так как изготовление большого количества одинаковых сферических сегментов несравнимо проще, чем изготовление нескольких различных видов внеосевых сегментов параболоида или гиперболоида вращения. Для исправления сферической аберрации, вносимой вогнутым сферическим зеркалом, вторичному зеркалу необходимо придать форму выпуклого сплюснутого эллипсоида или выпуклой асферической поверхности высших порядков. Весьма вероятно, что выпуклые зеркала трехзеркальных телескопов также будут иметь форму сплюснутых эллипсоидов. Однако, контроль качества выпуклых асферических поверхностей указанной формы в настоящее время наиболее труден.

Перечисленные проблемы контроля формы выпуклых АП свидетельствуют об отсутствии достаточно простого и надежного метода контроля формы выпуклых асферических зеркал, что является препятствием для создания высококачественных оптических телескопов.

Такое состояние проблемы контроля послужило причиной поиска новых методов контроля формы выпуклых асферических поверхностей.

В настоящей диссертационной работе изложены результаты исследований, проведенных в этом направлении. Цель диссертации заключается в поиске, разработке и исследовании возможности применения принципиально новых методов контроля формы выпуклых АП, пригодных для использования в производственных условиях и выгодных, как с экономической, так и с технической точек зрения.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) проведен анализ известных методов контроля формы выпуклых АП с точки зрения возможности их применения для исследования выпуклых астрономических зеркал;

2) найдены, разработаны и исследованы возможности применения принципиально новых методов контроля формы выпуклых АП, не требующих использования крупногабаритных вспомогательных оптических деталей, поддающихся автоматизации в производственных условиях;

3) разработаны методы производственного и аттестационного контроля формы выпуклых АП, а также оптических систем приборов для реализации разработанных методов;

4) разработаны методы измерения геометрических параметров АП второго порядка. с*

Поставленные задачи решены методом математического моделирования на основе выявления и анализа новых, базирующихся на фундаментальных законах и явлениях геометрической и физической оптики, геометрических свойств АП.

При проведении исследований использованы пакеты прикладных программ «МАТНЕМАТ1СА» и «ZEMAX». Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложены и разработаны методы контроля профиля выпуклых АП, базирующиеся на видоизмененном методе Гартмана, методе пограничной кривой и интерференционном методе;

2) разработан метод измерения геометрических параметров выпуклых АП вращения второго порядка на основе метода Шателен-Ландвера;

3) впервые выявлена и показана возможность измерения вершинного радиуса АП, несмотря на наличие отверстия или нерабочей зоны в центральной части асферического зеркала.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) методы измерения и контроля профиля выпуклых асферических зеркал, основанные на освещении контролируемой поверхности световым пучком, лучи которого направлены перпендикулярно оси симметрии контролируемой детали, позволяют: исследовать выпуклые поверхности в производственных условиях, причем возможно измерение профиля не только полированных, но и шлифованных поверхностей, снизить затраты благодаря использованию стандартных оптических, механических и оптико-электронных узлов, сократить длительность технологических циклов в процессе формообразования асферических поверхностей;

2) на базе разработанных методов предложена оптическая система и конструкция интерферометра, позволяющего производить измерения и контроль шлифованных и полированных поверхностей непосредственно в зоне их обработки.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) видоизмененные метод Гартмана, метод пограничной кривой и интерференционный метод позволяют контролировать профиль шлифованных и полированных выпуклых асферических поверхностей крупных телескопов в производственных условиях с необходимой точностью;

2) модифицированный метод Шателен-Ландвера, основанный на измерении параметров интерференционной картины на локальных участках асферического зеркала позволяет определить вершинный радиус асферической поверхности, несмотря на наличие отверстия в центральной зоне зеркала;

-93) разработаны методы, перспективные для автоматизации измерений в производственных условиях.

Апробация работы.

Полученные в диссертации научные результаты обсуждались на научных семинарах кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» (PJI3) МГТУ им. Н.Э. Баумана, были доложены на трех международных конференциях «Прикладная Оптика 2006» (г. Санкт-Петербург), «Прикладная Оптика 2007» (г. Санкт-Петербург), Четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва), отражены в четырех публикациях (1 статья и тезисы докладов на конференциях).

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Дружин, Владислав Владимирович

-113-ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены и разработаны методы измерения и контроля профиля выпуклых асферических зеркал на основе базовой схемы освещения контролируемой поверхности пучком лучей, ориентированным перпендикулярно оси симметрии зеркала.

2. Главное достоинство разработанных методов измерения и контроля профиля выпуклых АП заключается в том, что они не нуждаются в применении высокоточных вспомогательных крупногабаритных оптических элементов.

3. Модифицированный метод Гартмана, пограничной кривой и интерференционный метод перспективны для автоматизации измерений и контроля профиля как шлифованных, так и полированных АП в производственных условиях.

4. Разработан модифицированный интерференционный метод Шателен-Ландвера для измерения и контроля геометрических параметров выпуклых АП второго порядка.

5. Главное достоинство разработанного модифицированного метода Шателен-Ландвера заключается в том, что он позволяет определить вершинный радиус и коническую константу АП второго порядка в любой зоне контролируемой поверхности даже при наличии отверстия в центральной части зеркала.

6. Предложена и разработана оптическая схема интерферометра, реализующая модернизированный метод Шателен-Ландвера для измерения геометрических параметров АП второго порядка.

7. Модифицированный метод Шателен-Ландвера удобен для автоматизации измерений и контроля геометрических параметров АП второго порядка в производственных условиях.

Цель, сформулированная в начале диссертации, по мнению автора, достигнута.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дружин, Владислав Владимирович, 2008 год

1. Сычев В. В. Адаптивные оптические системы в крупногабаритном телескопостроении. — Старый Оскол.: ТНТ, 2005. — 464 с.

2. Шустов Б.М., Большие оптические телескопы будущего // Земля и Вселенная. -М., 2004. №2. - С .3-12.

3. Духопел И.И., Константиновская Н.В., Федина Л.Г. Методы контроля формы асферических поверхностей вращения // ОМП. 1975.-№7. С. 64-74.

4. Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А.Байгожин и др.; Под общ. ред. М.А. Окатова. Санкт-Петербург: Политехника, 2004. - 656 с.

5. Куке В.Г., Липовецкий Л.Е., Сюткин В.А. Измерение деталей с асферическими поверхностями на сферометре ИЗС-7// ОМП. — 1972. №4. -С. 39-41.

6. Бакаев М.И., Кузнецов А.В., Чунин Б.А. Об аттестации полярных измерительных приборов // ОМП. 1990. - №11. - С. 66.

7. Духопел И.И., Качин С.С., Чунин Б.А. Изготовление и методы контроля асферических поверхностей. Л.: Машиностороение, 1975. - 86 с.

8. Попов Г.М., Изготовление больших ситалловых зеркал для телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена // Изв. Крымской астрофиз. обсерватории. 1972. - Т.46. - С. 159-166.

9. Попов Г.М., Попова М.В. Кольцевой асферометр для контактного контроля асферических поверхностей астрономической оптики // Изв. Крымской астрофиз. обсерватории. — 1985.-Т.71.-С. 174-180.

10. J.H. Burge. Measurement of large convex aspheres // SPIE. 1996, Vol. 2871.-P. 362-373.

11. D. S. Anderson, J. H. Burge. Swing-arm profilometry of aspherics // Proc. SPIE.- 1995. Vol. 2536. - P. 169-179.

12. J.H. Burge, Chunyu Zhao. TMT Metrology study for M2 and M3 // Thirty Meter Telescope Supplier Conference. 2007. -V. 025, REL02. - P. 1-27.

13. A. Lewis, S. Oldfield. ARCUATE ARM PROFILOMETRY -TRACEABLE METROLOGY FOR LARGE MIRRORS // Simposio de Metrologia. 2006.- Vol. 20. -P. 1-5.

14. Заказнов Н.П., Горелик B.B. Изготовление асферической оптики. -М.: Машиностроение, 1978. 248 с.

15. Линник В.П. Оптомеханика в ближайшем будущем // ОМП.-1968.-№12. С. 20-24.

16. Коломийцова Т.С., Константиновская Н.В. Погрешности метода переналожения пробного стекла при контроле выпуклых сферических поверхностей // ОМП.-1977. №1.- С. 3-6.

17. Бубис И.Я., Робачевская В.И., Савин В.А. Исследование точных астрономических поверхностей с помощью эталонов существенно меньшего диаметра // Новая техника в астрономии/ Под ред. Н.Н. Михельсона.- Л.: Наука, 1970.-Вып. 3. С. 219-224.

18. Ган М.А., Устинов С.И., Долгих С.Г. и др. / Измерительно-вычислительный комплекс для обработки интерферограмм // ОМП. 1986. -№6.- С. 43-45.

19. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. — Спб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998.- 240с.

20. Malacara D., Cornejo A. Testing of aspherical surfaces with Newton Fringes // Applied Optics. 1970. - Vol. 9, №4. - P.837-839.

21. Sander G.M. Shannon R.R. Optical Fabrication Techniques for MMT // Sky and telescope.- 1973. Vol. 46, №5. - P.280-284.

22. Карлин О.Г. Сюткин В.А. Применение сферических и асферических пробных стекол для контроля асферических поверхностей // ОМП. 1972. -№3. - С. 37-39.

23. Чикин. А.А. Отражательные телескопы. Пг.; Изд. Русского общества любителей мировидения, 1915. - 128 с.

24. Ritchey, G. W. The Two-Foot Reflecting Telescope of the Yerkes Observatory // The Astronomical Journal. 1901. - Vol. 14, №4, P. 217,- 219.

25. Ritchey, G. W. On Methods of Testing Optical Mirrors During Construction // The Astrophysical Journal. 1904. - Vol. 19, №1, P.53 - 88.

26. Щеглов П.В. Оптические телескопы сегодня и завтра. — М.: Знание, 1980. 64с.

27. Максутов Д.Д. Новая методика исследования формы зеркал крупных телескопов // Изв. Главной астрон. абсерватории. 1957. - Т.21, вып.1, №160. — С. 5-29.

28. Kuhne С. Production and Testing of the Optical Elements of the first 2.2.m Telescope for MPJA// Astronomy and Astrophysics. - 1975. Vol.41, №3-4.-P. 345-353.

29. Lytle J.D. A suggested Procedure for Testing Large Cassegrainian Optical Systems// Applied Optics 1970. Vol. 9, №11. - P. 2497 - 2500.

30. Wilson R.N. Corrector Systems For Cassegrain Telescope // Proceeding of the ESO/CERN Conference on Large Telescope design, Geneve. 1971, - P. 131-177.

31. Соснина M.A. О компенсационном методе контроля крупных асферических зеркал // Изв. Главной астрон. абсерватории. 1958. - Т.21, вып.З, №162. — С. 145-146.

32. Hindle J. Н. A new test for cassegrainian and Gregorian secondary mirrors // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.-1931. Vol. 91, №51, P. 591-593.

33. Цань Цзюньхуа. Вторичные зеркала телескопов и оптические системы их контроля: Дис . канд. физ. — мат. наук . Л., 1960. - 100 с.

34. Interference test procedures for telescopic mirrors / M. A. Abdulkadyrov, S. P. Belousov, A. N. Ignatov et al. // Proceedings of SPIE. 2004, Vol. 5252, P. 374-381.

35. Manufacturing of secondary mirrors from Sitall CO-115M for European projects TTL, NOA and VST / A. P. Semenov, M. A. Abdulkadyrov, S. P. Belousov et al. //Proceedings of SPIE. 2001, Vol. 4451. - P. 138-144.

36. Изготовление главного Ml и вторичного M2 зеркал для проекта телескопа VISTA / Абдулкадыров М.А., Патрикеев А.П., Белоусов С.П. и др. // Прикладная оптика 2006: Сб. трудов межд. конф. СПб., 2006. Т. 2 - С. 165170.

37. Инюшин А.И., Шифферс JI.A. Интерференционный метод контроля выпуклых параболических поверхностей // ОМП. 1966. - №8. - С. 19-21.

38. Оптический производственный контроль / Под ред. Д. Малакары; Пер. с англ. Е.В. Мазуровой и др.; Под. ред. А.Н. Соснова. М.: Машиностроение, 1985. — 400 с.

39. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. — М.: Машиностроение, 1976. 262 с.

40. Burge J. Measurement of large convex aspheres // Proc. SPIE. 1996. -V. 2871. -C. 362-373

41. Hartmann J. Bemerkungen iiber den Bau und die Justierung von Spektrographen // Z Instrumentenkund. 1900. - Bd. 20, №2. - S. 47.

42. Bhatia, Rajiv K.; Ciani, Adriana Using the Shack-Hartmann system for a complete analysis of optical telescopes // Proc. SPIE. 1997. - Vol. 3134, - P. 167176.

43. Горшков В. А. Новикас В.И. Подобрянский А.В. Автоматизированные методы контроля оптических поверхностей // ОМП. -1980. №2.-С. 37-44.

44. Снежко Л.И. Анализ основ метода Гартмана // Астрофизические исследование (Изв. Специальной астрофиз. обсерватории). — Л.: Наука, 1981. -Т. 14.- С.3-14.

45. Espiard J., Favre В. Controle en laboratoire de la qualite du systeme optique d'un telescope de 1,524 m de diameter // Nouvelle Revue d'Optique Appliquee.- 1970. Vol. 1, № 6. P. 395-400.

46. Goldsberg В., Benson N.C. Apparatus for determining spherical aberration of convex surface of paraboloid of revolution // J. Opt. Soc. Am. 1947. - Vol 37, №3.-P. 186-191.

47. A.c. 1044969 СССР, MKH4G 01 В 11/24. Способ измерения профиля оптических поверхностей / Д.Т. Пуряев (СССР). №3467407.25-28; Заявлено 09.07.82; Опубл. 30.09.83, Бюл. №36. - Зс.

48. А.с. 1337654 СССР, MKH4G 01 В 11/24. Способ измерения профиля выпуклых оптических поверхностей вращения / Д.Т. Пуряев, A.M. Романов (СССР). №4016626/24-28; Заявлено 04.02.86; Опубл. 15.09.87, Бюл. №34 // Открытия. Изобретения.-1987. - №34. - С. 144.

49. Y. Chatelain, Examen d'un Mirror Parabalique par des Calibres Spheriques // Revue d'Optique 1935. - V.14, №2. - P. 41-61.

50. R. Landwehr, Mikrointerferenzen als Hilfsmittel zur Priifung der Form aspharischer Flache // Annalen der Physik. 1959. - Bd. 4, №1-5, - S. 154-166.

51. Зверев B.A., Кирилловский B.B., Сокольский M.H. Погрешность расшифровки гартманограмм и метод ее снижения // Новая техника в астрономии/Под ред. Н.Н. Михельсона.-JI.: Наука, 1979.-Вып. 6. С. 98-101.

52. Е. Lau und W. Krug, Die Aquidensitometrie Berlin: Akademie-Ver-. lag.- 1957, S. 99.

53. Круг В. Вайде Г. Применение научной фотографии М.: Мир, 1975. -207 с.

54. Tolstoba N.D. Analysis of Hartmann testing techniques for large-sized optics // Proc. SPIE.- 2001. Vol. 4451.- P. 406-413.

55. Еськова Л.М., Стороженко А.И. Метод Гартмана с регистрацией гартманограммы и диафрагмы в одном масштабе // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: Выпуск 15. / Гл. ред. д.т.н., профессор Н. В. Васильев. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. — С. 203-207.

56. К Saruta, R Tsuji. Application of target tracking method using an Arago spot and divergent beam for in-chamber measurement //Journal of Physics: Conf. Ser. 112 032048. 2008.- P. 4.

57. Fischer, J. Radii, T. Simple Methods of Edge Position Measurement Using Shadow Projected on CCD Sensor // Measurement Science Review. - 2003, Vol. 3, №. 3 - P. 37-40.

58. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. JL: Машиностроение, 1976.296 с.

59. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: ГИОП,. 1952. - 296 с.

60. Karl Lenhardt, Optics for digital photography // Proc. SPIE.- 2007, Vol. 6834.-P. 210-215.

61. Зиновьев B.C., Пуряев Д.Т. Расчет объектива-монохромата: Уч. Пособие. М.: Дом оптики, - 1993. - 36 с.