RU2159928C1 - Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror - Google Patents
Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror Download PDFInfo
- Publication number
- RU2159928C1 RU2159928C1 RU99112737A RU99112737A RU2159928C1 RU 2159928 C1 RU2159928 C1 RU 2159928C1 RU 99112737 A RU99112737 A RU 99112737A RU 99112737 A RU99112737 A RU 99112737A RU 2159928 C1 RU2159928 C1 RU 2159928C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- curvature
- radius
- mirror
- optical
- wedge
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической физики, конкретно к оптотехническим измерениям, и может найти применение в оптическом приборостроении при изготовлении длиннофокусных оптических зеркал, а также при их эксплуатации. The invention relates to the field of technical physics, specifically to optical measurements, and can find application in optical instrumentation in the manufacture of telephoto optical mirrors, as well as in their operation.
При создании современных телескопов наземного и космического базирования, лазерных систем, космической оптики остается актуальным вопрос высокоточного измерения оптических характеристик зеркал с большим радиусом кривизны. When creating modern ground-based and space-based telescopes, laser systems, space optics, the issue of high-precision measurement of the optical characteristics of mirrors with a large radius of curvature remains relevant.
Известен способ измерения больших радиусов кривизны (Креопалова Г.В., Лазарева Н.А., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987, с. 90-91), в котором формируют пучок света с известными характеристиками, направляют в оптическую систему и на основе пространственных характеристик отраженного пучка определяют радиус кривизны контролируемой оптической системы. A known method of measuring large radii of curvature (Kreopalova G.V., Lazareva N.A., Puryaev D.T. Optical measurements. - M.: Mechanical Engineering, 1987, S. 90-91), in which a beam of light with known characteristics is formed are sent to the optical system and, based on the spatial characteristics of the reflected beam, the radius of curvature of the controlled optical system is determined.
Способ не удовлетворяет современным требованиям по точности, так как, например, для радиуса кривизны R = 100 м погрешность измерения составляет 1 м (1%). The method does not meet modern requirements for accuracy, since, for example, for a radius of curvature R = 100 m, the measurement error is 1 m (1%).
Известен способ определения фокусного расстояния длиннофокусных зеркал, выбранный нами в качестве прототипа (Патент РФ N 2072217, МПК G 01 M 11/00, приор. от 28.09.94), включающий формирование параллельного светового пучка, пространственное разделение его на два, отражение пучка от исследуемой поверхности, регистрацию пространственных характеристик обоих пучков в фокальной плоскости контролируемой системы и вычисление по ним фокусного расстояния и радиуса кривизны. A known method for determining the focal length of telephoto mirrors, we have chosen as a prototype (RF Patent N 2072217, IPC G 01 M 11/00, prior. 09.28.94), including the formation of a parallel light beam, its spatial separation into two, the reflection of the beam from of the studied surface, registration of the spatial characteristics of both beams in the focal plane of the controlled system and calculation of the focal length and radius of curvature from them.
Способ также имеет недостаточно высокую точность (0,1-0,2%) и нетехнологичен, так как требует для проведения измерений размещение измерительных приборов в фокальной плоскости контролируемой оптической системы, что при больших радиусах кривизны чрезвычайно громоздко, а иногда вообще трудно выполнимо. The method also has insufficient accuracy (0.1-0.2%) and is not technologically advanced, since it requires the placement of measuring instruments in the focal plane of a controlled optical system for measurements, which is extremely cumbersome and sometimes difficult to achieve at large radii of curvature.
Нами теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что возможно высокоточное измерение радиусов кривизны длиннофокусных зеркал при переходе к интерферометрии сдвига и найденному методу обсчета полученной интерференционной картины. We theoretically substantiated and experimentally confirmed that a high-precision measurement of the radii of curvature of long-focus mirrors is possible when passing to shear interferometry and the found method for calculating the resulting interference pattern.
Предлагаемый способ определения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала позволяет производить измерения больших радиусов кривизны вблизи контролируемой поверхности с погрешностью до 0,06-0,08%, что выше современного уровня в 1,5-2 раза. The proposed method for determining the radius of curvature of a telephoto mirror makes it possible to measure large radii of curvature near a controlled surface with an error of up to 0.06-0.08%, which is 1.5-2 times higher than the current level.
Такой технический эффект достигнут, когда в способе измерения радиуса кривизны длиннофокусного зеркала, включающем формирование светового пучка, отражение его от исследуемой поверхности, пространственное разделение пучка на два, регистрацию пространственных характеристик пучков и вычисление по ним радиуса кривизны, световой пучок формируют параллельным, разделяют пучок после отражения, создают оптическую разность хода у разделенных пучков, получают интерференционную картину, а радиус кривизны R находят по ее характеристикам из выражения:
при использовании оптического клина как устройства разделения,
при использовании плоскопараллельной пластины как устройства разделения,
где t - толщина пластины или клина по оптической оси;
d - расстояние между интерференционными полосами;
i - угол падения пучка на пластину или клин;
n - показатель преломления материала пластины или клина;
φ - угол поворота полос по отношению к направлению сдвига;
λ - длина волны света;
L - расстояние от контролируемого зеркала до плоскости регистрации.This technical effect is achieved when, in a method for measuring the radius of curvature of a telephoto mirror, including the formation of a light beam, its reflection from the surface under study, spatial separation of the beam into two, registration of the spatial characteristics of the beams and calculation of the radius of curvature from them, the light beam is formed parallel, the beam is separated after reflection, create the optical path difference of the separated beams, get an interference picture, and the radius of curvature R is found from its characteristics zheniya:
when using an optical wedge as a separation device,
when using a plane-parallel plate as a separation device,
where t is the thickness of the plate or wedge along the optical axis;
d is the distance between the interference fringes;
i is the angle of incidence of the beam on the plate or wedge;
n is the refractive index of the material of the plate or wedge;
φ is the angle of rotation of the strips with respect to the direction of shear;
λ is the wavelength of light;
L is the distance from the controlled mirror to the registration plane.
Знак "+" - для вогнутого зеркала, знак "-" - для выпуклого. The “+” sign is for a concave mirror, the “-” sign is for a convex mirror.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего заявленный способ, где источник 1 излучения, светофильтр 2, конденсор 3, точечная диафрагма 4, объектив 5 коллиматора, контролируемое зеркало 6, пластина или клин 7, картина 8 в плоскости регистрации; d - расстояние между интерференционными полосами, i - угол падения пучка на пластину или клин, α - угол падения пучка на контролируемую оптическую поверхность, φ - угол поворота полос по отношению к направлению сдвига. The drawing shows a diagram of a device that implements the claimed method, where the
Измерение радиуса кривизны по предлагаемому способу заключается в следующем. The measurement of the radius of curvature of the proposed method is as follows.
Найденная зависимость радиуса кривизны длиннофокусных оптических систем и параметров интерференционной картины связывает большие оптические отрезки с расстояниями меду интерференционными полосами, которые характеризуются долями длины волны. The found dependence of the radius of curvature of long-focus optical systems and the parameters of the interference pattern connects large optical segments with distances to the interference fringes, which are characterized by fractions of the wavelength.
Для реализации условий зависимости на контролируемую поверхность направляют параллельный пучок лучей, чтобы иметь пучок с плоским волновым фронтом. Пучок делят пространственно на два после отражения от контролируемой поверхности, чтобы оба пучка несли информацию о ней, сдвигают пучки, создают оптическую разность хода лучей в сдвинутых пучках для получения интерференционной картины, в результате чего по характеристикам картины находят радиус кривизны контролируемого зеркала, используя выведенные зависимости. To implement the dependence conditions, a parallel beam of rays is directed onto the surface to be controlled in order to have a beam with a plane wavefront. The beam is spatially divided into two after reflection from the controlled surface, so that both beams carry information about it, shift the beams, create the optical difference in the beam paths in the shifted beams to obtain an interference pattern, as a result of which the radius of curvature of the controlled mirror is found using the derived dependencies .
В случае использования плоскопараллельной пластины в качестве устройства разделения пучков интерференционная картина представляет собой систему вертикальных полос, характеризуемых расстоянием d между их центрами. В случае использования клина картина также состоит из системы полос, развернутых на угол φ по отношению к направлению сдвига пучков. In the case of using a plane-parallel plate as a device for separating beams, the interference pattern is a system of vertical bands characterized by a distance d between their centers. In the case of using a wedge, the picture also consists of a system of bands rotated through an angle φ with respect to the direction of shear of the beams.
Приведенные в формулах величины t, d, n, i, φ,λ современными методами измеряются с высокой точностью. The values of t, d, n, i, φ, λ given in the formulas are measured with high accuracy by modern methods.
Возникшая возможность регистрации интерференционной картины вблизи контролируемой поверхности позволила определить отрезок L, составляющий доли метра, с малой погрешностью и тем самым уменьшить погрешности, связанные с вибрациями при больших измерительных расстояниях и турбулентностью атмосферы в протяженном измерительном тракте
Таким образом, повышение точности в предлагаемом способе достигается в конечном счете при использовании интерферометрии как метода, применение которого стало возможным при нахождении существующей зависимости радиуса кривизны контролируемой поверхности и параметров интерференционной картины, образуемой в результате взаимодействия пучков света после отражения от контролируемой поверхности с большим радиусом кривизны.The arising possibility of recording the interference pattern near the surface being monitored made it possible to determine the segment L, which is a fraction of a meter, with a small error and thereby reduce the errors associated with vibrations at large measuring distances and atmospheric turbulence in an extended measuring path
Thus, increasing the accuracy in the proposed method is ultimately achieved by using interferometry as a method, the application of which was made possible by finding the existing dependence of the radius of curvature of the controlled surface and the interference pattern parameters resulting from the interaction of light beams after reflection from the controlled surface with a large radius of curvature .
Исключение влияния аберраций осуществляется известными приемами. The exclusion of the influence of aberrations is carried out by known methods.
Пример конкретного исполнения. На нашем предприятии на аттестованном стенде для оптотехнических испытаний крупногабаритной оптики были проведены измерения у сферического зеркала диаметром 1,5 м и радиусом кривизны примерно 50 м. В качестве источника использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм. Конденсором с фокусным расстоянием 100 мм лазерный пучок фокусировался на точечной диафрагме диаметром 0,05 мм, помещенной в фокальной плоскости объектива коллиматора с фокусным расстоянием 2 мм. Выходящий из коллиматора параллельный пучок лучей диаметром 60 мм направлялся на контролируемое зеркало под углом α = 2o30' к оптической поверхности, отражался от зеркала, направлялся под углом на клиновидную стеклянную пластину (из К8) толщиной t = 10,02 мм, расположенную на расстоянии 80 см от зеркала по оптической оси. Получаемая интерференционная картина наблюдалась на экране, отстоящем на расстоянии 20 см от пластины.An example of a specific implementation. At our enterprise, at a certified test bench for optotechnical testing of large-sized optics, measurements were made on a spherical mirror with a diameter of 1.5 m and a radius of curvature of about 50 m. A helium-neon laser with a wavelength of 0.63 μm was used as a source. By a capacitor with a focal length of 100 mm, the laser beam was focused on a point aperture with a diameter of 0.05 mm placed in the focal plane of a collimator lens with a focal length of 2 mm. A parallel beam of rays 60 mm in diameter emerging from the collimator was directed to a controlled mirror at an angle α = 2 ° 30 'to the optical surface, reflected from the mirror, directed at an angle to a wedge-shaped glass plate (made of K8) with a thickness of t = 10.02 mm located on a distance of 80 cm from the mirror along the optical axis. The resulting interference pattern was observed on a screen spaced 20 cm from the plate.
С помощью измерительного микроскопа, сфокусированного на плоскость экрана, измерялось расстояние между интерференционными полосами. Было произведено 3 серии измерений. Серии отличались изменениями угла (i) падения пучка на клиновидную пластину. В каждой серии измерение расстояния между интерференционными полосами производилось 10-12 раз. Для расчета радиуса кривизны использовалось среднее значение (dср.). Результаты измерений и расчета радиуса кривизны R по формуле приведены в таблице.Using a measuring microscope focused on the plane of the screen, the distance between the interference fringes was measured. 3 series of measurements were made. The series were characterized by changes in the angle (i) of the beam incidence on the wedge-shaped plate. In each series, the distance between interference fringes was measured 10–12 times. To calculate the radius of curvature, the average value (d cf. ) was used. The results of measurements and calculation of the radius of curvature R by the formula are given in the table.
Оценим суммарную погрешность измерений. Основной вклад в эту погрешность вносит погрешность, связанная с измерением расстояния между интерференционными полосами. При соблюдении оптимальных условий наблюдения полос (высокий контраст, подбор увеличения микроскопа, отсутствие вибраций) проведение измерений не менее 10-12 раз дает погрешность измерения расстояния Δd/d = 3•10-4. Толщина пластины измеряется с погрешностью Δt/t = 2•10-4. Погрешность установки угла падения пучка на стеклянную пластину Δi/i и угла наклона полос по отношению к направлению сдвига пучков Δφ/φ, а также погрешность измерения показателя преломления материала пластины Δn/n и длины излучения в случае использования лазера Δλ/λ являются погрешностями второго порядка малости и в расчете суммарной погрешности во внимание не принимаются. Измерение расстояния L с помощью набора концевых мер было осуществлено с погрешностью не более ΔL/L = 1-3•10-4.Estimate the total measurement error. The main contribution to this error is made by the error associated with measuring the distance between interference fringes. Under the optimal conditions for observing the bands (high contrast, selection of the magnification of the microscope, absence of vibrations), taking measurements at least 10-12 times gives an error in measuring the distance Δd / d = 3 • 10 -4 . The plate thickness is measured with an error of Δt / t = 2 • 10 -4 . The error in setting the angle of incidence of the beam on the glass plate Δi / i and the angle of inclination of the strips with respect to the direction of shear of the beams Δφ / φ, as well as the error in measuring the refractive index of the material of the plate Δn / n and the radiation length in the case of using a laser Δλ / λ, are second-order errors smallness and in calculating the total error are not taken into account. The measurement of distance L using a set of end measures was carried out with an error of not more than ΔL / L = 1-3 • 10 -4 .
Таким образом, суммарная погрешность определения радиуса кривизны контролируемой поверхности составила 6-8•10-4, т.е. 0,06-0,08%.Thus, the total error in determining the radius of curvature of the controlled surface was 6-8 • 10 -4 , i.e. 0.06-0.08%.
Полученные величины радиусов кривизны, приведенные в таблице, свидетельствуют о высокой воспроизводимости метода, поскольку отступления от среднего значения 49977 мм не превышают погрешности измерений. The obtained values of the radii of curvature given in the table indicate a high reproducibility of the method, since deviations from the average value of 49977 mm do not exceed the measurement error.
Таким образом, предложенный способ измерения больших радиусов кривизны впервые позволил с высокой степенью точности не ниже 0,06 - 0,08% измерять большие радиусы кривизны длиннофокусных зеркал. Способ значительно технологичнее, так как, используя его, производят измерения в непосредственной близости от контролируемой оптической поверхности, что сокращает измерительные расстояния в 10-100 раз и тем самым значительно уменьшает погрешности, связанные с вибрациями и турбулентностью в измерительном тракте. Thus, the proposed method for measuring large radii of curvature for the first time made it possible to measure large radii of curvature of telephoto mirrors with a high degree of accuracy of at least 0.06-0.08%. The method is much more technologically advanced, since using it, measurements are made in the immediate vicinity of the controlled optical surface, which reduces the measuring distance by 10-100 times and thereby significantly reduces the errors associated with vibrations and turbulence in the measuring path.
Предлагаемый способ найдет применение при создании высококачественных лазерных устройств, при разработке телескопов космического и наземного базирования, а также в практике оптотехнических измерительных лабораторий при создании длиннофокусных оптических систем разнообразного назначения с высокими требованиями к качеству. The proposed method will find application in the creation of high-quality laser devices, in the development of space-based and ground-based telescopes, as well as in the practice of optical measurement laboratories in the creation of long-focus optical systems for various purposes with high quality requirements.
Claims (1)
при использовании оптического клина как устройства разделения,
при использовании плоскопараллельной пластины как устройства разделения,
где t - толщина пластины или клина по оптической оси;
d - расстояние между интерференционными полосами;
i - угол падения пучка на пластину или клин;
n - показатель преломления материала пластины или клина;
φ - угол поворота полос по отношению к направлению сдвига;
λ - длина волны света;
L - расстояние от контролируемого зеркала до плоскости регистрации;
знак "+" - для вогнутого зеркала, знак "-" - для выпуклого.A method for measuring the radius of curvature of a telephoto mirror, including the formation of a light beam, directing it to the surface under study, spatial separation of the beam into two, recording the spatial characteristics of the beams and calculating the radius of curvature from them, characterized in that the light beam is formed parallel, the beam is separated after reflection from the studied surface, create the optical path difference of the separated beams, get an interference picture, and the radius of curvature R is found by its characteristics of expression
when using an optical wedge as a separation device,
when using a plane-parallel plate as a separation device,
where t is the thickness of the plate or wedge along the optical axis;
d is the distance between the interference fringes;
i is the angle of incidence of the beam on the plate or wedge;
n is the refractive index of the material of the plate or wedge;
φ is the angle of rotation of the strips with respect to the direction of shear;
λ is the wavelength of light;
L is the distance from the controlled mirror to the registration plane;
the “+” sign is for a concave mirror, the “-” sign is for a convex mirror.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99112737A RU2159928C1 (en) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99112737A RU2159928C1 (en) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2159928C1 true RU2159928C1 (en) | 2000-11-27 |
Family
ID=20221256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99112737A RU2159928C1 (en) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2159928C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2592733C2 (en) * | 2014-12-09 | 2016-07-27 | Открытое акционерное общество "Акционерная компания по транспорту нефти "ТРАНСНЕФТЬ" | Method of measuring radius of curvature of pipeline by data of geodesic measurements |
| RU2623702C1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-06-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Device and method of determining curvature radius of large-sized optical parts on basis of wavefront sensor |
-
1999
- 1999-06-15 RU RU99112737A patent/RU2159928C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Креопалова Г.В., Лазарев Н.Л., Пуряев Д.П. Оптические измерения. - М.: Машиностроение, 1987, с. 90 - 91. * |
| Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1976, с. 129 - 130. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2592733C2 (en) * | 2014-12-09 | 2016-07-27 | Открытое акционерное общество "Акционерная компания по транспорту нефти "ТРАНСНЕФТЬ" | Method of measuring radius of curvature of pipeline by data of geodesic measurements |
| RU2623702C1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-06-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Device and method of determining curvature radius of large-sized optical parts on basis of wavefront sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6721094B1 (en) | Long working distance interference microscope | |
| US5933236A (en) | Phase shifting interferometer | |
| US4340306A (en) | Optical system for surface topography measurement | |
| JP2008268237A (en) | Reducing coherent artifact in interferometer | |
| JPH0324432A (en) | Optical instrument for phase detection inspection of optical system, particularly spectacle lens | |
| US6876456B2 (en) | Absolute calibration of optical flats | |
| EP0549516B1 (en) | Method and apparatus for measuring optical properties of optical devices | |
| Makosch et al. | Surface profiling by electro-optical phase measurements | |
| US6704112B1 (en) | Application of the phase shifting diffraction interferometer for measuring convex mirrors and negative lenses | |
| Murty et al. | Measurement of long radius of curvature | |
| US4577940A (en) | Moire microscope | |
| Chatterjee | Simple technique for measurement of residual wedge angle of high optical quality transparent parallel plate | |
| RU2159928C1 (en) | Technique measuring radius of curvature of long-focused mirror | |
| Sirohi | A Course of Experiments with He-Ne Lasers | |
| EP1540271B1 (en) | Method for measuring contour variations | |
| JP4286001B2 (en) | Reduction of coherent artifacts in interferometers | |
| US20110249272A1 (en) | Optical instrument for testing optical systems and samples | |
| US6804009B2 (en) | Wollaston prism phase-stepping point diffraction interferometer and method | |
| Rommeveaux et al. | Second metrology round-robin of APS, ESRF and SPring-8 laboratories of elliptical and spherical hard-x-ray mirrors | |
| Johnstone et al. | A design for a 6 in. field Mach-Zehnder interferometer | |
| CN112504164A (en) | Measuring device and method capable of dynamically measuring surface shape of planar optical element | |
| Zamkotsian et al. | Knife-edge test for characterization of subnanometer deformations in micro-optical surfaces | |
| JPH0814854A (en) | Flat plate with computer hologram and measurement using the plate | |
| Shukla et al. | Interferometric determination of thickness of free-standing submicron Formvar films | |
| Bader | Polarization dependence of two-photon absorption in solids |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070616 |