Разработка и анализ схем контроля несферических поверхностей вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Ермолаева, Елена Владимировна

• Ермолаева, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермолаева, Елена Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ НЕСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1. Основные параметры несферических поверхностей оптических элементов.

1.2. Декартовы несферические поверхности.

1.2.1. Принцип таутохронизма. Уравнение картезианского овала.

1.2.2. Декартовы преломляющие поверхности вращения при =ао.

1.2.3. Декартовы отражающие поверхности вращения.

1.3. Несферические поверхности вращения в конструкции оптической системы.

1.3.1. Несферическая поверхность вращения линзы, формирующей безаберрационное изображение бесконечно удаленной осевой точки предмета.

1.3.2. Аберрационные свойства оптической системы, содержащей декартовы отражающие поверхности вращения несферической формы.

1.3.3. Аберрационные свойства афокальной оптической системы из двух отражающих поверхностей, одна из которых эквидистантна параболоиду вращения (поверхность профессора Д.Т. Пуряева).

1.3.4. Несферическая поверхность вращения линзы, формирующей апланатическое в области первичных аберраций изображение бесконечно удаленного предмета.

1.3.5. Бинарные поверхности вращения несферической формы.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ

НЕСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ.

2.1. Схемы контроля линз, формирующих безаберрационное изображение бесконечно удаленной осевой точки предмета.

2.2. Схемы контроля, основанные на применении анаберрационных точек отражающих несферических поверхностей вращения второго порядка.

2.3. Компенсационная схема контроля несферических поверхностей вращения.

3. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ КОМПЕНСАЦИОННЫХ СХЕМ КОНТРОЛЯ ВОГНУТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ.

3.1. Голограммные элементы оптических систем компенсаторов схем контроля несферических поверхностей вращения.

3.2. Геометрические свойства нормалей несферических поверхностей вращения второго порядка.

3.3. Анализ известных компенсационных схем контроля вогнутых несферических поверхностей вращения.

3.4. Схема контроля вогнутых несферических поверхностей вращения с компенсатором Оффнера и ее анализ.

3.5. Разработка и анализ методики расчета схемы контроля вогнутых несферических поверхностей вращения с компенсатором Оффнера.

3.6. Контроль вогнутых несферических поверхностей с однолинзовым компенсатором с асферической поверхностью.

4. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СХЕМ КОНТРОЛЯ ВЫПУКЛЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ.

4.1. Разработка и анализ схем контроля выпуклых несферических поверхностей вращения диаметром до 0.25 — 0.35 м.

4.2. Разработка методик расчета параметров и исследование схем контроля несферических поверхностей оптических элементов.

4.3. Схемы контроля выпуклых несферических поверхностей вращения диаметром более 0.25 — 0.35 м и их анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и анализ схем контроля несферических поверхностей вращения»

В настоящее время в оптических приборах все более широкое практическое применение находят оптические элементы, имеющие рабочие поверхности несферической формы. Это обусловлено тем, что применение таких поверхностей позволяет достичь более высокого качества изображения, повышения оптических характеристик, упрощения конструкции оптических приборов и уменьшения их габаритных размеров и массы.

Наибольший эффект от использования оптических элементов несферической формы достигается в светосильных крупногабаритных телескопах наземного и космического базирования, предназначенных для формирования высококачественного изображения в пределах достаточно широкого углового поля.

Высокое качество изображения, формируемое оптическими приборами, может быть реализовано только при условии изготовления оптических элементов с высокой точностью. Наиболее сложным является изготовление оптических элементов с несферическими поверхностями вращения.

Для обеспечения высокого качества изготовления оптических элементов с несферическими поверхностями вращения необходимы высокоточные системы контроля. Достигнутое в результате расчета высокое качество изображения, формируемого оптической системой, можно реализовать в процессе изготовления, если отклонения рабочих поверхностей от номинальной формы не будут превышать, по крайней мере, —А. Это условие определяет 8 весьма высокие требования к точности контроля формы отражающих поверхностей в процессе их обработки.

Точность контроля оптических элементов в первую очередь определяется схемой контроля. Схемы контроля для оптических элементов с несферическими поверхностями вращения разработаны академиком В.П. Линником и членом корреспонденом АН СССР Д.Д. Максутовым. В дальнейшем эти работы были продолжены в трудах А. Кудэ, Х.Е. Долла, Ф.Е. Росса, А. Оффне-ра, Д.Т. Пуряева и других авторов.

Однако существующие схемы контроля не отвечают современным требованиям по точности измерений и технологичности. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является разработка и анализ схем контроля несферических поверхностей вращения.

Цель диссертационной работы заключается в повышении точности и технологичности систем контроля несферических поверхностей вращения оптических элементов за счет развития оптических метрологических средств контроля.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработка схем контроля и методик расчета параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, представляющих собой выпуклые поверхности гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутую поверхность гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском.

2. Разработка методики расчета параметров схемы контроля вогнутых несферических поверхностей вращения с компенсатором Оффнера.

3. Получение функциональной зависимости для продольной сферической аберрации в изображении точки, образованном компенсатором, при компенсационном методе контроля формы несферической поверхности вращения второго и более высокого порядка.

4. Исследование взаимного влияния конструктивных параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, представляющих собой выпуклые поверхности гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутую поверхность гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском.

Объект исследования представляет собой систему контроля формы несферических поверхностей вращения оптических элементов.

Предмет исследования - схемы контроля и методики расчета параметров схем контроля оптических элементов с несферическими поверхностями вращения.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования оптических систем, методы автоматизированного проектирования и расчета оптических систем и методы, основанные на применении теории аберраций третьего порядка.

Научная новизна работы

1. Предложены новые схемы контроля выпуклых несферических поверхностей с анаберрационным мениском и разработаны методики расчета их параметров.

2. Разработано теоретическое описание принципов работы компенсатора Оффнера.

3. Разработана методика расчета схемы контроля вогнутых несферических поверхностей с компенсатором Оффнера.

4. Получена функциональная зависимость для продольной сферической аберрации в изображении точки, образованном компенсатором, при компенсационном методе контроля формы несферической поверхности вращения второго порядка.

Практическая ценность работы

1. Предложены конструктивно-схемные решения и методики расчета параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, позволяющие повысить точность и технологичность контроля выпуклых поверхностей гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутой поверхности гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском. Указанный практический эффект достигается за счет того, что в предложенных схемах диаметр анаберрационного мениска не превышает диаметр контролируемой поверхности, отсутствует зона неконтролируемой поверхности и контроль самого вспомогательного мениска может быть осуществлен простыми средствами.

2. Разработаны практические рекомендации по расчету компенсаторов по схеме Оффнера, по выбору параметров анаберрационного мениска в схеме контроля выпуклой поверхности гиперболоида и выпуклой поверхности эллипсоида вращения, по выбору оптической системы компенсатора в компенсационной схеме контроля несферической поверхности вращения.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении исследований по теме «Анализ и разработка схем контроля оптических несферических поверхностей» в Техническом университете Ильменау (Германия) в рамках международного гранта фонда DAAD.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Схемы контроля и методики расчета параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, представляющих собой выпуклые поверхности гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутую поверхность гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с ана-беррационным мениском.

2. Методика расчета параметров схемы контроля вогнутых несферических поверхностей вращения с компенсатором Оффнера.

3. Функциональная зависимость для продольной сферической аберрации в изображении точки, образованном компенсатором, при компенсационном методе контроля формы несферической поверхности вращения второго и более высокого порядка от угла, образованного лучом с оптической осью, на выходе компенсатора.

4. Результаты исследования взаимного влияния конструктивных параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, представляющих собой выпуклые поверхности гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутую поверхность гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском, и функциональной зависимости величины разброса точек пересечения нормалей к несферической поверхности вращения второго порядка с оптической осью от апертурной координаты.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были доложены на XXXVI, XXXVII и XXXVIII научных и учебно-методических конференциях СПБГУ ИТМО в 2008, 2009 и 2010 годах, на V, VI и VII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых в 2008, 2009 и 2010 годах, на IX международной конференции «Прикладная оптика-2010» в 2010 году, на кафедре Технической оптики Технического университета г. Ильменау (Германия).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, две из них опубликованы в издании, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит список цитируемых литературных источников из 37 наименований, изложена на 140 страницах машинописного текста и содержит 60 рисунков и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Ермолаева, Елена Владимировна

5. Результаты исследования взаимного влияния конструктивных параметров схем контроля несферических поверхностей оптических элементов, представляющих собой выпуклые поверхности гиперболоида, эллипсоида и параболоида вращения и вогнутую поверхность гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском, и функциональной зависимости величины разброса точек пересечения нормалей к несферической поверхности вращения второго порядка с оптической осью от апертурной координаты.

6. Практические рекомендации по расчету компенсаторов по схеме Оффнера, по выбору параметров анаберрационного мениска в схеме контроля выпуклой поверхности гиперболоида и выпуклой поверхности эллипсоида вращения, по выбору оптической системы компенсатора в компенсационной схеме контроля несферической поверхности вращения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена и решена научно-техническая задача разработки и анализа схем контроля несферических поверхностей вращения.

В процессе решения данной задачи получены следующие основные результаты:

1. Разработаны новые схемы контроля выпуклых поверхностей параболоида и эллипсоида вращения и вогнутой поверхности гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском. В предложенных схемах диаметр анаберрационного мениска не превышает диаметр контролируемой поверхности зеркала, отсутствует зона неконтролируемой поверхности, контроль самого вспомогательного мениска может быть осуществлен простыми средствами. В результате повышается точность и технологичность контроля данных поверхностей.

2. Разработаны методики расчета параметров схемы контроля выпуклой поверхности гиперболоида, параболоида и эллипсоида вращения и вогнутой поверхности гиперболоида вращения диаметром до 250 мм с анаберрационным мениском, которые основаны на равенстве нулю сферической аберрации третьего порядка, вносимой мениском. Методики позволяют получить конструктивные параметры схем контроля, обеспечивающие отсутствие сферической аберрации.

3. Разработаны теоретическое описание принципа работы компенсатора Оффнера и методика расчета схемы контроля вогнутых несферических поверхностей вращения с компенсатором Оффнера, позволяющие обеспечить компенсацию сферической аберрации для всех точек входного зрачка оптической системы контроля.

4. Получена функциональная зависимость для продольной сферической аберрации в изображении точки, образованном компенсатором, при компенсационном методе контроля формы несферической поверхности вращения, позволяющая определить конструктивно-схемное решение оптической системы компенсатора в компенсационной схеме контроля несферической поверхности вращения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермолаева, Елена Владимировна, 2011 год

1. Вычислительная оптика. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1984. -423с.

2. Грамматин А.П. Асферические оптические поверхности. // ОМП. 1990. №2. С. 36, 58, 72.

3. Грамматин А.П., Марчук С.М. Аберрации второго порядка асферическойповерхности вращения. // ОМП. 1990. № 6. С. 40-41.

4. Грамматин А.П., Марчук С.М. Асферические оптические поверхности нового типа и их аберрационные свойства. // ОМП. 1990. № 11. С. 55-57.

5. Грамматин А.П. Свойства геометрических аберраций второго порядка. // Оптический журнал. 1994. № 8. С 34-38.

6. Грамматин А.П., Зверев В.А. Интерферометрический контроль выпуклых гиперболоидальных зеркал.// «Оптический журнал», том 67, № 4, 2000. С. 76-78.

7. Ермолаева Е.В., Зверев В.А. Анаберрационный мениск в схеме контроля выпуклых несферических поверхностей вращения второго порядка. «Оптический журнал», том 75, № 4, 2008. С. 35-40.

8. Ермолаева Е.В. Анализ аберрационных свойств компенсационных схем контроля вогнутых поверхностей несферической формы./ Труды 9 Международной конференции «Прикладная оптика 2010». СПб, 2010, с. 4549.

9. Ермолаева Е.В., Зверев В.А. Геометрические свойства нормалей несферических поверхностей вращения второго порядка.// «Оптический журнал», том 77, № 12, 2010. С 13-16.

10. Зверев В. А., Кривопустова Е.В. Оптотехника несферических поверхностей. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, 203 с.

11. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. СПб: СПбГИТМО, 2002. 218 с.

12. Зверев В.А., Романова Г.Э. Несферические поверхности в оптике и проблемы их аппроксимации.// «Оптический журнал», том 72, № 10, 2005. С. 29-40.

13. Зверев В.А., Кривопустова Е.В. Анализ схемы контроля вогнутых поверхностей вращения несферической формы компенсационным методом.// «Оптический журнал», том 71, № 11, 2004. С. 40-46.

14. Зверев В.А., Соболев К.Ю. Определение допусков на некоторые общие параметры схем контроля поверхностей вращения второго порядка. «Оптический журнал», том 64, № 2, 1997. С. 83-85.

15. Зверев В.А., Соболев К.Ю., Цуканова Г.И. Контроль формы выпуклых несферических поверхностей вращения. «Оптический журнал», № 12, 1996. С. 12-19.

16. Креопалова Г. В., Лазарева Н. Л., Пуряев Д. Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение, 1987. 264 с.

17. Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. М.: Машиностроение, 1978, 224с.

18. Максутов Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. -Л. М., Гостехиздат, 1948. - 280 с.

19. Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976, 512с.

20. Оптический производственный контроль./ Под ред. Д. Малакары. Перевод с англ. М.: Машиностроение, 1985, 400 с.

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

22. Пуряев Д.Т., Лазарева Н.Л., Иконина A.B. Оптические системы двухлу-чевых интерферометров: Учеб. Пособие. — Ч. 3/ Под ред. Д.Т. Пуряева. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 60 с.

23. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение 1989.383 с.

24. Русинов М.М. Несферические поверхности в оптике. М.: Недра, 1973. 296 с.

25. Русинов М. М. Несферические поверхности в оптике. Расчет, изготовление, контроль. М.: Недра, 1992. — 256 с.

26. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.

27. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. М.-Л.: АН СССР, 1946. 332 с.

28. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. — Л.: Машиностроение, 1968. С. 291-293.

29. Hindle J.H. A New Test for Cassegrainian and Gregorian Secondary Mirrors// Mon. Not. R. Astron. Soc. 1931. - Vol. 91. P. 592.

30. Simpson F. A., Oland B. H., Meckel J. Testing Convex Aspheric Lens Surfaces with a Modified Hindle Arrangement, Opt. Eng., 13, G101 (1974).

31. D.T. Puryayev. Afocal two-mirror system. // Optical Engineering. 1993. V. 32. №61325-1327.

32. J.M. Sasian, S.A. Lerner, and J. Burge. Certification of a null corrector via a diamond turned asphere: design and implementation. // Proc. SPIE 3749, 284285 (1999).

33. S.A. Lerner, J.M. Sasian. Use of implicitly defined optical surfaces for the design of imaging and illumination systems. // Optical Engineering. 2000. V. 39. №7. 1796-1801.dJ