Комплекс прецизионных методов и устройств контроля оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем на основе осевых синтезированных голограмм

В настоящей диссертации обобщены результаты исследований и разработок, выполненных автором в период с 1966;го по 2001;й год по созданию, развитию и внедрению комплекса прецизионных голографических методов и средств контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем.

Голография явилась эффективным средством решения ряда сложных научно-технических проблем. Перспективность некоторых ее приложений, намеченных уже в первых, основополагающих, работах Д. Габора, Ю. Н. Денисюка, Э. Лейта и Ю. Упатниекса [1−5], была осознана затем многими отечественными и зарубежными специалистами. Несколько лет спустя (вскоре после изобретения лазеров и появления их первых промышленных образцов) это привело к резкому расширению исследований и разработок по их реализации (см., напр. 6−11]).

Становление и развитие голографии как научно-технического направления в Государственном институте прикладной оптики началось в 1966 году под непосредственным руководством Камиля Сабировича Мустафина и под общим научным руководством ныне признанного в мире основоположника «объемной» голографии академика Юрия Николаевича Денисюка. В это время в ГИПО.(тогда это был филиал Государственного оптического института им. С.И. Вавилова) были поставлены работы по нескольким направлениям оптической голографии:

— голографическая интерферометрия;

— предельное разрешение в голографии, аберрации голограмм и качество «го-лографического» изображения;

— мультиплицирование изображений при помощи голограммных линзовых растров и синхронного сканирования;

— голографические методы исследования неоднородностей в прозрачных средах (в газодинамических и баллистических экспериментах);

— голограммные дифракционные решетки;

— синтезированные голограммные оптические элементы (СГОЭ) и контрольно-измерительная аппаратура на их основе.

Следует сказать, что во всех этих голографических направлениях автор принимал непосредственное участие в большей или меньшей степени на разных этапах их развития. Однако наибольшее внимание с самого начала (октябрь 1966 года) и по сей день им было уделено последнему из них.

В разработках технологии получения СГОЭ и в решении на основе СГОЭ ряда актуальных задач оптического приборостроения в 70 — 80-е годы была достигнута наибольшая результативность НИОКР. Так, например, на основе реализации разработанных нами прецизионных голографических контрольно-измерительных средств на основе СГОЭ в ГИПО была создана уникальная аппаратура с высококачественной асферической оптикой, основные оптические характеристики которой остаются первоклассными и по современным оценкам.

Поэтому основное содержание настоящей диссертации составляют материалы, полученные автором непосредственно в ходе выполнения данной работы, а также некоторые результаты НИОКР, выдвинутых по его инициативе и выполненных под его научно-техническим руководством.

Не все приведенные выше направления оптической голографии, казавшиеся многим специалистам в конце 60-х годов безусловно перспективными, получили в дальнейшем «путевку в жизнь». Так, до сих пор не нашли достойной практической реализации многие потенциальные возможности голографической интерферометрии, корреляционного анализа, мультиплицирования изображений. Развитие некоторых направлений замедлилось или приостановилось не по научно-техническим причинам, а из-за «исчезновения» традиционных заказчиков.

Следует отметить, что с самого начала и до последнего времени развитию большинства этих направлений сопутствовало неизменно доброжелательное и, как правило, результативное взаимодействие с коллективом специалистов ГОИ им. С. И. Вавилова, руководимым Ю. Н. Денисюком.

Толографисты" ГИПО (А. Белозеров, Г. Буйнов, И. Зейликович, И. Зелинский, М. Кит, Ю. Кузилин, А. Лукин, М. Мейкляр, И. Мохунь, Л. Мустафина, Р. Рафиков, Ф. Саттаров, В. Селезнев, А. Скочилов, Н. Спорник, В. Черных и др.) и ГОИ (М. Ган, Р. Герке, С. Корешев, Г. Савицкий, Г. Семенов, В. Смирнов, Д. Стаселько, В. Суханов, и др.) не только регулярно встречались и дискутировали на тематических семинарах в Ленинграде, Москве и Казани, но и участвовали в совместных поисках и разработках конкретных технических решений [12−14]).

По «топографической» тематике в ГОИ и ГИПО за эти годы было подготовлено несколько десятков диссертаций, причем защита большинства из них состоялась в ГОИ. Следует отметить, что работы, выполняемые в ГИПО, традиционно носили более технологический характер и изначально ориентировались на перспективу широкой практической реализации. Так, автор в 1975 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук на тему «Исследование свойств голограмм как оптических элементов и возможностей их применения для контроля качества поверхностей сложной формы» (01.04.05-оптика) [15], причем одним из оппонентов был Ю. Н. Денисюк.

Последние несколько десятилетий характеризуются устойчивым ростом потребностей многих отраслей науки, техники и промышленности в улучшении оптических и эксплуатационных характеристик традиционных и в создании принципиально новых оптических приборов и устройств различного назначения. Это, в свою очередь, выдвинуло перед современным приборостроением проблему совершенствования применяемых в оптическом производстве контрольно-измерительных методов и средств на всех стадиях создания оптических систем: от контроля процесса формообразования рабочих поверхностей отдельных оптических элементов (линз, зеркал) до поэтапного контроля процесса сборки многокомпонентных оптических систем. Именно трудности контроля до сих пор являются одной из основных причин, сдерживающих широкое внедрение асферической оптики, являющейся, как известно, наиболее эффективным средством радикального улучшения оптических и габаритно-весовых характеристик подавляющего большинства оптических приборов и устройств [16−18].

В самом деле, далеко не все известные методы и средства контроля поверхностей оптических элементов (см., напр., [19−23]) в состоянии обеспечить резко возросшие в последние годы требования к точности и оперативности измерений. В случае же поверхностей со значительной асферичностью принципиальную возможность их удовлетворения сохраняет лишь компенсационный метод [21, 24, 25]. Сущность его заключается в следующем. Для заданной асферической поверхности создается специальный объектив, так называемый компенсатор, образующий совместно с тестируемой асферической поверхностью оптическую систему, по возможности максимально близкую к идеальному сферическому зеркалу, т. е. формирует волновой фронт, близкий (на заданном расстоянии) к расчетной форме асферической поверхности. Тем самым открывается возможность применения для контроля асферики известных классических интерференционно-теневых методов и средств оценки качества совершенных оптических систем.

Большой вклад в разработку и развитие компенсационного метода внесли В. П. Линник, Д. Д. Максутов и другие выдающиеся отечественные оптики [2628]. Значительный прогресс в этой области был достигнут благодаря работам Д. Т. Пуряева [25].

Однако практические возможности различных классических вариантов компенсационного метода, как правило, также ограничиваются лишь поверхностями второго порядка или близкими к ним, что обусловлено трудностями создания компенсаторов, резко возрастающими с усложнением формы тестируемой поверхности. Поэтому в ряде важных для практики случаев даже их расчет превращается в трудноразрешимую задачу [25]. Серьезным недостатком является и тот факт, что такие многокомпонентные объективы, имеющие большие сферические аберрации, как правило, невозможно проконтролировать с необходимой точностью известными методами непосредственно в собранном виде. Поэтому здесь приходится уповать на высокое качество изготовления отдельных элементов компенсатора и достаточно высокую точность его сборки, а также надлежащую точность установки компенсатора в контрольной схеме на расчетном расстоянии от вершины асферической поверхности. Таким образом, отсутствие возможности объективной аттестации самого компенсатора создает ситуацию классического «порочного крута». Попытка разорвать его и была предпринята в ГИПО в конце 60-х годов на основе использования СГОЭ в качестве образцовых оптических элементов и оптических компенсаторов. Эти и сопутствующие им исследования и разработки вскоре заняли приоритетное положение среди всех наших работ по прикладной голографии. Таким образом, поиск новых путей решения проблемы точного и оперативного контроля оптических поверхностей сложной формы представляется весьма актуальным.

Цель настоящей диссертации определилась как разработка комплекса голо-графических методов и устройств прецизионного контроля оптических элементов и многокомпонентных центрированных оптических систем на основе реализации уникальных свойств и возможностей осевой синтезированной голо-граммной оптики как нового эффективного средства расширения и совершенствования элементной базы современных контрольно-измерительных средств в оптическом приборостроении.

Для достижения указанной цели потребовалось:

1. Разработать теоретические основы синтеза осевых голограмм путем ступенчатой (бинарной) аппроксимации интерференционных полей, образуемых в результате суперпозиции заданных аналитически виртуальных объектных и опорных волновых фронтов с осевой симметрией, разработать алгоритмы и получить уравнения, обеспечивающие вычисление с необходимой точностью координат интерференционных колец (полос).

2. Определить и обосновать требования к основным параметрам осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ), способных выполнять фокусирующие, корригирующие, светоделительные и диспергирующие функции в центрированных оптических системах различного назначения: диапазону пространственных частот, рабочей спектральной области, дифракционной эффективности, точности преобразования волновых фронтов, лучевой прочности, световому диаметру.

3. Найти пути и обосновать принципиальные и практические возможности изготовления и аттестации прецизионных осевых СГОЭ, способных формировать заданные волновые поверхности с точностью до сотых долей длины световой волны X при отступлении от опорной сферы Гаусса в десятки тысяч X.

4. Разработать и исследовать технологические процессы получения осевых СГОЭ путем прецизионного отображения в масштабе 1:1 расчетных положений интерференционных полос голографической микроструктуры, разработать технологические процессы тиражирования СГОЭ путем высокоточного копирования голографического микрорельефа.

5. На основе использования СГОЭ разработать методы и устройства для контроля параметров оптических элементов и центрированных систем, позволяющие выявлять погрешности их изготовления (по волновому фронту) до сотых долей X.

Поставленная цель была достигнута. Разработан и исследован комплекс контрольно-измерительных голографических методов и средств на основе использования СГОЭ, в том числе:

1. Найдено и реализовано кардинальное решение проблемы высокоточного контроля практически всех видов используемых в оптическом приборостроении асферических поверхностей вращения на основе применения круговых и линейных СГОЭ в качестве оптических компенсаторов. Выполнены всесторонние теоретические и экспериментальные исследования предложенных технических решений, подтвердившие их высокую работоспособность.

2. Разработан и реализован автоматизированный комплекс прецизионного изготовления круговых и линейных голограмм, способных выполнять в монохроматическом (лазерном) свете функции образцовых, фокусирующих и корригирующих оптических элементовразработаны методики высокоточного тиражирования рельефно-фазовых СГОЭ и их аттестации.

3. Разработаны и внедрены в технологические цепочки формообразования оптических поверхностей, в том числе асферических, а также в процессы сборки и аттестации объективов прецизионные методы и устройства контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем на основе использования СГОЭ.

4. Разработанный комплекс голографических методов и средств прецизионного контроля оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем был внедрен на ряде предприятий отрасли, что нашло отражение в трех действующих отраслевых стандартах «Детали оптические с асферическими поверхностями. Методы контроля с использованием синтезированных голограмм» (ОСТЗ-4730−80 — ОСТЗ-4732−80).

Основные задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели потребовалось: 1. Разработать теоретические основы синтеза осевых голограмм путем ступенчатой (бинарной) аппроксимации интерференционных полей, образуемых в результате суперпозиции заданных аналитически виртуальных объектных и опорных волновых фронтов с осевой симметрией с получением алгоритмов и уравнений, обеспечивающих вычисление с заданной точностью координат интерференционных полос (колец).

2. Определить и обосновать требования к основным параметрам осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ), способных выполнять фокусирующие, корригирующие, светоделительные и диспергирующие функции в центрированных оптических системах различного назначения, отличающихся диапазоном пространственных частот, рабочей спектральной областью, дифракционной эффективностью, точностью преобразования волновых фронтов, световым диаметром, а также лучевой прочностью.

3. Найти пути и обосновать принципиальные и практические возможности изготовления и аттестации прецизионных осевых СГОЭ, способных формировать заданные волновые поверхности с точностью до сотых долей длины световой волны Я при отступлении от опорной сферы Гаусса в десятки тысяч Я.

4. Разработать и исследовать технологические процессы получения осевых СГОЭ путем прецизионного отображения в масштабе 1:1 расчетных положений интерференционных полос голографической микроструктуры, разработать технологические процессы тиражирования СГОЭ путем высокоточного копирования голографического микрорельефа.

5. На основе использования СГОЭ разработать методы и устройства контроля параметров оптических элементов и центрированных систем, позволяющие выявлять погрешности их изготовления (по волновому фронту) до сотых долей X.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Комплекс методов и устройств для прецизионного контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных оптических систем на основе использования осевых синтезированных голограмм в качестве образцовых оптических элементов и оптических компенсаторов.

2. Методы расчета осевых СГОЭ с несущей пространственной частотой как интерференционной картины, образованный в результате суперпозиции заданных аналитически объектных и опорных волновых фронтов, основанные на представлении о дифрагированном луче, включающем обобщение теоремы Малюса и Дюпина, а также обратной теоремы Леви-Чивита (при определенных условиях) для случая нормальной прямолинейной конгруэнции дифрагированных лучей [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М., Наука, 1970. — с.154−159- Друде П. Оптика. — М., «ОНТИ», 1935, с.24−25].

3. Комплекс методов, средств и технологических процессов автоматизированного изготовления, тиражирования и аттестации ступенчатых (бинарных) круговых и линейных СГОЭ в масштабе 1:1, пространственной частотой до 1500 мм" 1 и световым диаметром до 500 мм.

4. Оригинальные технические решения контрольно-измерительных устройств на основе СГОЭ для:

— измерения радиусов кривизны сферических и цилиндрических поверхностей, в том числе основных сферических пробных стекол 1-го класса;

— контроля меридионального и сагиттального сечений тороидальных поверхностей;

— контроля децентрировки линз;

— измерения фокальных (рабочих) отрезков объективов и их наименьших кружков рассеяния;

5. Двухлучевые лазерные интерферометры на основе СГОЭ:

— интерферометр для контроля выпуклых асферических поверхностей, реализующий обращение фронта объектной волны, в котором СГОЭ имитирует образцовую асферическую поверхность, путем преобразования нормальной конгруэнции гомоцентрического пучка лучей от монохроматического точечного источника в нормальную прямолинейную конгруэнцию нормалей к асферической поверхности;

— интерферометр радиального сдвига;

— голографическое пробное стекло;

6. Виброустойчивые интерферометры на основе плоских отражательных и пропускающих дифракционных решеток для широкого спектрального диапазона и с пониженными требованиями к степени когерентности используемых источников света;

7. Методика интерферометрического контроля формы шлифованных оптических поверхностей путем выделения и использования нерассеянной составляющей от шероховатой поверхности в проходящем и отраженном лазерном свете.

Научная новизна работы заключается в том, что в ее рамках впервые решена комплексная научно-техническая проблема создания прецизионных методов и устройств для контроля асферических поверхностей вращения всех типов на основе использования осевых СГОЭ в качестве оптических компенсаторов. Базой для ее решения явились разработанные автором научные основы расчета и синтеза круговых и линейных СГОЭ, включающие обобщение теоремы Малю-са-Дюпина и обратной теоремы Леви-Чивита на случай нормальной конгруэнции дифрагированных лучейпри этом структура СГОЭ рассчитывается как картина интерференции, образованная в результате суперпозиции заданных аналитически объектного и опорного волновых фронтов с осевой симметрией путем ступенчатой (бинарной) аппроксимации распределения интенсивности в ее полосах и их отображения посредством несущей пространственной частоты.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней: 1. Найдено и реализовано кардинальное решение проблемы высокоточного контроля практически всех видов используемых в оптическом приборостроении асферических поверхностей вращения на основе применения круговых и линейных СГОЭ в качестве оптических компенсаторов. Выполнены всесторонние теоретические и экспериментальные исследования предложенных технических решений, подтвердившие их высокую работоспособность.

2. Разработан и реализован автоматизированный комплекс прецизионного изготовления круговых и линейных голограмм, способных выполнять в монохроматическом (лазерном) свете функции образцовых, фокусирующих и корригирующих оптических элементовразработаны методики высокоточного тиражирования рельефно-фазовых СГОЭ и их аттестации.

3. Разработаны и внедрены в технологические цепочки формообразования оптических поверхностей, в том числе асферических, а также в процессы сборки и аттестации объективов прецизионные методы и устройства контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем на основе использования СГОЭ.

4. Разработанный комплекс голографических методов и средств прецизионного контроля оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем был внедрен на ряде предприятий отрасли, что нашло отражение в трех действующих отраслевых стандартах «Детали оптические с асферическими поверхностями. Методы контроля с использованием синтезированных голограмм» (ОСТЗ-4730−80 — ОСТЗ-4732−80).

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на:

1. Всесоюзных конференциях по голографии (Тбилиси, 1972 г.- Киев, 1975 г.- Ульяновск, 1978 г.- Ереван, 1982 г.- Рига, 1985 г.- Витебск, 1990 г.-).

2. Всесоюзной конференции по созданию и внедрению новых оптических систем различного назначения (Ленинград, 1971 г.).

3. Международных конференциях:

Прикладная оптика". С.-Петербург, 1996 и 1998 г. г., «Голография и корреляционная оптика». Черновцы, 1995 г., «Фотоэлектроника и приборы ночного видения». Москва, 2000 г.

4. Всесоюзном симпозиуме «Проблемы технического применения голографии в системе контроля качества материалов и изделий», Пенза, 1972 г.

5. Всесоюзных школах по голографии (Ереван, 1974 г.- Новосибирск, 1973 г., Куйбышев, 1985 г.- Ярославль, 1997 г.).

6. Всесоюзных семинарах:

Тбилиси, 1990 г.- Москва 1977 г., 1980 г., 1983 г., Гродно, 1986 г.- Ленинград, 1970 г., 1972 г., 1974 г.

7. Отраслевых школах и семинарах:

Москва, 1876 г., 1983 г., 1986 г.- Казань, 1997 г.

8. Региональной конференции «Лазеры в Поволжье», Казань, 1997 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 63 работах, включая одну монографию и 26 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения. Личный вклад автора.

Автору диссертации принадлежит постановка задачи и основные идеи по предложенным путям и подходам к ее решению. На всех этапах работы, проводившейся с 1967 года, автор являлся ответственным исполнителем и руководителем выполняемых НИР и ОКР, а также работ по внедрению их результатов на предприятиях отрасли. В работах с соавторами, включенных в диссертацию, автор являлся инициатором (выдвигал идею, ставил задачу, намечал пути ее решения), разрабатывал методики исследования, участвовал в проведении теоретических расчетов и экспериментовосуществлял обобщения на основе анализа результатов собственных исследований и результатов исследований, выполненных совместно с соавторами, а также на основе анализа литературных данных.

Значительные успехи, достигнутые в области голографической интерферометрии, обеспечили возможность существенного повышения точности и упрощения контроля поверхностей любой сложности при наличии образцовых оптических элементов. Здесь сама сущность голографического метода исключительно удачно соответствует специфике задачи, т.к. естественным путем реализуется наиболее уникальное и удивительное свойство голографии, состоящее в том, что она позволяет осуществить интерференцию между двумя световыми потоками, не перекрывающимися ни во времени, ни в пространстве*-1. В данном случае это достигается с помощью физической голограммы образцовой поверхности. Однако на практике создание образцовых элементов нередко оказывается нецелесообразным (например, требуется всего одна деталь) или практически невозможным (по причине отсутствия средств контроля). Здесь, очевидно, просматривается ситуация «порочного круга». Поэтому особый интерес представляет разработка голографических методов контроля, основанных на использовании синтезированных голограмм, изготавливаемых по заданным уравнениям профиля асферических поверхностей.

Однако известные методы синтезирования во многих важных для практики случаях не обеспечивают необходимую точность «восстановления» требуемых асферических волновых фронтов, а схемы существующих голографических интерферометров непригодны для контроля при помощи синтезированных голограмм оптических поверхностей со значительной асферичностью и крутизной.

Диссертация состоит из четырех взаимно связанных разделов.

В первом разделе выполнен анализ известных методов синтеза внеосевых голограмм — цифровых аналогов физических фраунгоферовых голограмм. Показано, что из-за невысокой точности и ограниченности диапазона пространственных частот они непригодны для целей синтеза голограмм, способных выполнять функции образцовых, корригирующих, фокусирующих и светодели-тельных оптических элементов в контрольно-измерительной аппаратуре, предназначенной для технологического и аттестационного контроля оптических элементов и центрированных систем .

Сделан вывод о необходимости поиска принципиально новых подходов к решению проблемы получения СГОЭ, способных формировать волновые поверхности заданной формы с точностью до сотых долей длины световой волны Разумеется, речь вдет об интерференции опорной волны не с «оригинальным» объектным фронтом, а с его голографически восстановленной «копией» .

X при отступлении от опорной гауссовой сферы до нескольких десятков миллиметров (десятки тысяч X).

Доказано, что реализация принципов осевой голографии является новым эффективным путем решения данной проблемы — обеспечения реальной возможности синтеза голограмм с требуемым диапазоном оптических параметров.

Изложены теоретические основы синтеза осевых голограмм, включающие обобщение теоремы Малюса и Дюпина и обратной теоремы Леви-Чивита на случай нормальной конгруэнции дифрагированных лучей. При этом структура голограммы рассчитывается как картина интерференции, образованной в результате суперпозиции виртуальных объектного и опорного волновых фронтов с осевой симметрией, заданных уравнениями своих профилей, путем бинарной или многоуровневой аппроксимации распределения интенсивности в интерференционных полосах с последующим его отображением посредством несущей пространственной частоты. При этом:

— на основе представления о «дифрагированном» луче в скалярном приближении разработаны алгоритмы и получены уравнения для вычисления координат интерференционных колец (полос) круговых и линейных голограмм, получены формулы, позволяющие оценить их дифракционную эффективность и отношение сигнал/фон;

— теоретически и экспериментально исследованы оптические свойства СГОЭ. Показано, что дифракционная оптика способна формировать волновые поля, которые в случае монохроматических непрерывных или квазинепрерывных источников света неотличимы от соответствующих «классических» аналогов по виду интерференционных картин и по характеру распределения интенсивности в кружке наименьшего рассеяния;

Изложен гармонический анализ осевых бинарных голограммполучены формулы для расчета дифракционной эффективности и отношения сигнал/фон.

Предложен новый метод синтеза осевых СГОЭ с несущей пространственной частотой, обеспечивший реальную возможность достижения необходимой точности (до сотых долей Я) и диапазона пространственных частот (до 1500 мм" 1), а также решение проблемы автоматизации процесса изготовления голограмм со световым диаметром до 500 мм.

Рассмотрены пути и исследованы новые возможности существенного «расширения» и «сжатия» спектрального рабочего диапазона СГОЭ.

Приведены уравнения для расчета круговых и линейных голограмм в качестве оптических компенсаторов в схемах контроля асферических поверхностей вращения как второго, так и любого высшего порядка, а также в качестве одиночных фокусирующих и корригирующих оптических элементов в оптических системах контрольно-измерительных устройств различного назначения с монохроматическими (лазерными) источниками излучения. Эти результаты явились основой для разработки комплекта прикладных программ, которые позволяют оперативно рассчитывать на персональном компьютере все типы СГОЭ*-1.

Во втором разделе диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обеспечение возможности синтеза голограммных элементов с высоким оптическим качеством.

Проведен всесторонний анализ новой технологии синтеза осевых (круговых и линейных) СГОЭ, основанной на реализации «несущей» пространственной частоты. Приведена и всесторонне проанализирована функциональная схема оригинальной автоматической круговой делительной машины, управляемой от ЭВМ. Представлены результаты сравнительных испытаний нескольких ее макетных и экспериментальных образцов, на которых исследованы различные модификации двух основных методов: с помощью сфокусированного светового (лазерного) пучка и специального алмазного резца. Доказано, что метод алмазного резца обладает безусловными преимуществами по сравнению с методом сфокусированного лазерного пучка:

— существенно большее предельное разрешение (более 3000 мм" 1);

Комплект прикладных программ был разработан и отлажен программистами А. Р. Агачевым и Ф. Г. Хузиным.

— независимость контраста отображения расчетной кольцевой микроструктуры от линейной скорости вращающейся подложки;

— более высокая механическая и лучевая прочность рельефной структуры, выполняемой алмазным резцом непосредственно в металлическом слое, нанесенном на подложку, нежели фоточувствительных слоев, применяемых при лазерной записи.

Представлены методы получения высокоэффективных «ступенчатых» СГОЭ (киноформов) для заданного спектрального диапазона:

— многократного избирательного удаления защитного и рабочего слоев;

— непосредственного формирования рельефной структуры в материале подложки в «мокром» и «сухом» исполнении;

— классической фотолитографии с использованием фотошаблонов;

— подбора пары оптических материалов и «дозированного» выполнения глубины рельефной структуры.

Изложена методика тиражирования СГОЭ путем копирования рельефно-фазовых структур в слоях полимеризующихся эпоксидных и полиэфирных смол холодного отверждения (аналогично получению реплик дифракционных решеток).

Представлены результаты разработки комплекса методов аттестации СГОЭ, обеспечивающего возможность выявления дефектов синтеза до 0,01 X.

Третий раздел посвящен разработке методов и средств контроля асферических поверхностей на основе использования осевых СГОЭ. Это наиболее важный практически результат прикладной части диссертации.

В начале раздела представлен анализ принципиальных и практических возможностей известных методов и аппаратуры, применяемых при контроле асферических поверхностей линз и зеркал.

Показано, что:

— не существует сколько-нибудь универсальных средств, обладающих необходимой точностью и оперативностью измерений. Практически для каждой новой асферической поверхности требуется разработка «своей» индивидуальной контрольной схемы;

— главным препятствием широкому внедрению асферики в оптическое приборостроение до недавнего времени было отсутствие прецизионных и производительных методов и средств контроля.

Проведен анализ известных схемных решений голографического интерферометра, применяемых для контроля оптических поверхностей.

Установлено, что:

— при наличии образцовых поверхностей, независимо от их асферичности, большинство известных схем обеспечивает удовлетворительную точность и оперативность контроля, причем расшифровка «голографических» интерференционных картин идентична расшифровке аналогичных «классических» картин;

— при использовании синтезированных голограмм известные схемы не обеспечивают достаточную для практики точность и надежность контроля оптических поверхностей со значительной асферичностью.

Рассмотрена возможность применения для контроля оптических асферических поверхностей осевых схем голографирования. Показано, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с внеосевыми.

Представлены результаты экспериментальных исследований ряда предложенных схемных решений голографического интерферометра на основе использования осевых синтезированных голограмм, обеспечивающих возможность контроля с точностью до долей длины световой волны X широкого класса асферических поверхностей. Показано, что синтезированная голограмма может выполнять функцию либо образцовой (эталонной) поверхности, либо оптического компенсатора, причем в большинстве случаев предпочтителен компенсационный вариант. При этом применение одномерных синтезированных голограмм обеспечивает контроль с интерферометрической точностью не только формы цилиндрических поверхностей, но и профиля асферических поверхностей вращения. На основе реализации результатов этих разработок осуществлен контроль ряда поверхностей второго и более высокого порядков с помощью круговых синтезированных голограмм.

Представлены результаты всесторонних исследований точностных возможностей методики тонкой настройки контрольных схем на основе использования дополнительных котировочных голограмм, изготавливаемых на общей подложке с основной голограммой, соосно с ней.

Изложен проверенный экспериментально метод коррекции дефектов оптических элементов и погрешностей юстировки измерительной схемы при контроле асферических поверхностей с помощью синтезированных голограмм-компенса-торов. Метод реализует то обстоятельство, что оптическая система «асферическая поверхность +СГОЭ» всегда эквивалентна какой-либо зеркальной поверхности второго порядка (сфере, параболоиду, эллипсоиду). Показано, что его реализация позволяет существенно повысить точность и надежность измерений.

В конце раздела рассмотрены вопросы оценки допустимых отступлений геометрии схемы контроля от принятой при расчете. На примере параболического главного зеркала телескопа БТА световым диаметром 6 метров показано, что их осуществление не представляет практических трудностей. Более того, в настоящее время имеется реальная возможность обеспечения контроля главного зеркала телескопа световым диаметром до 15 метров и относительным отверстием 1:1- при этом расчетные погрешности контрольной схемы не превысят 0,1А.

В четвертом разделе представлен комплекс прецизионных методов и средств для измерения и контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем на основе СГОЭ.

Показано, что СГОЭ обеспечивают уникальную возможность физического моделирования любых видов волновых аберраций оптических элементов и систем с осевой симметрией, а также технологических «осциллирующих» зональных дефектов, присущих, в частности, процессу доводочного формообразования асферических поверхностей методом зональной ретуши.

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по моделированию сферических аберраций третьего и пятого порядков в отдельности и в комбинации, характерной для одиночной плосковыпуклой линзы.

В этом же разделе представлены результаты всесторонних теоретических и экспериментальных исследований голографического интерферометра радиального сдвига, обладающего повышенной виброустойчивостью. В нем СГОЭ выполняет одновременно три функции: 1) компенсатора (преобразует сферический волновой фронт в асферический) — 2) светоделителя (разделяет объектную волну на две — в нулевом и первом порядке дифракции и затем совмещает обе эти волны в первом и нулевом порядке дифракции в обратной последовательности) — 3) совместно с контролируемой поверхностью осуществляет «сдвиг» волновых фронтов (радиальный, боковой, продольный — в отдельности или в любых сочетаниях).

Представлены результаты исследования возможности голографического интерференционного контроля шероховатых (шлифованных) оптических поверхностей на основе выделения и использования нерассеянной составляющей светового потока, прошедшего через шероховатую поверхность или отраженного от нее.

Представлены технические решения ряда оригинальных контрольно-измерительных устройств на основе использования СГОЭ для:

— измерения радиусов кривизны вогнутых и выпуклых сферических и цилиндрических зеркал, в том числе основных пробных стекол 1-го класса;

— контроля центрировки линз;

— измерения радиусов меридионального и сагиттального сечений тороидальных поверхностей;

— поэтапного контроля с интерференционной точностью процесса сборки многокомпонентных центрированных оптических систем (объективов);

— измерения фокальных отрезков линз и объективов;

— измерения диаметра наименьшего кружка рассеяния методом ножа Фуко и методом измерительной щели.

В конце этого раздела дано описание нескольких вариантов двухлучевых лазерных интерферометров, построенных на основе плоских отражательных и пропускающих дифракционных решеток. Такие интерферометры обладают повышенной виброустойчивостью и способны надежно функционировать в цеховых условиях. Представлены результаты их экспериментального опробования.

Во всех пунктах раздела содержатся оценки точностных характеристик разработанных методик и устройств.

В заключении к диссертации сделаны общие выводы и дан список литературы.

Приложение к диссертации содержит:

1. Технические характеристики разработанных, отлаженных и внедренных в опытное производство дифракционной оптики ГИПО уникальных круговых делительных машин МДА-9, МДА-10 и МДГ. Эти машины по диапазону оптических и геометрических параметров СГОЭ, а также по производительности полностью удовлетворяют современным и перспективным потребностям отечественного оптического приборостроения.

2. Краткое техническое описание универсальной голографической установки АГ-2 с комплектом оптико-механических узлов, обеспечивающих возможность выполнения широкого круга голографических и интерферометрических экспериментов.

3. Основные технические характеристики специализированных интерферометров серии «ГИП» для контроля одиночных линз и поэтапного контроля процесса сборки фотографических объективов.

4. Сборник их трех отраслевых стандартов (ОСТ 3−4730−80-ОСТ 3−4732−80).

4.8. Выводы.

1. Предложено, реализовано и исследовано физическое моделирование аберраций одиночных оптических элементов и многокомпонентных центрированных оптических систем при помощи СГОЭ.

— на примере плосковыпуклой линзы показана высокая точность топографического воспроизведения аберраций любых порядков в отдельности и в любой комбинации и их влияние на качество оптического изображения;

— промоделированные аберрации «волнистого» вида, характерные, в частности, для финишных стадий формообразования асферических поверхностей методом зональной ретуши;

— получено хорошее соответствие между аберрациями, рассчитанными по исходным параметрам линзы измеренными в двухлучевом интерферометре с линзой и восстановленными с помощью СГОЭ — имитатора суммарной аберрации 3 и 5 порядков (N3+5 =92А);

— оценено влияние на диаметр наименьшего кружка рассеяния (НКР) различных видов аберраций. Так, сферическая аберрация только 5-го порядка (N5=8!) вызывает уширение НКР в 25 раз по сравнению с совершенным дифракционно ограниченным аналогом, а суммарное действие аберраций 3-го и 5-го порядков — в 110 раз. «Волнистая» аберрация приводит к относительно большему уширению НКР, чем соответствующая по величине сферическая аберрация.

2. Предложен и всесторонне исследован метод получения интерферограммы радиального сдвига с использованием круговых синтезированных голограмм. Проведено теоретическое рассмотрение особенностей формирования картины интерференции радиального сдвига. При этом:

— получены аналитические выражения, описывающие распределение интенсивности в картине интерференции радиального сдвига, а также величины абсолютного и относительного радиального сдвига с учетом заданного уравнения асферической поверхности и выбранной геометрии контрольной схемы;

— показано, что для случая бинарного СГОЭ полезно используемая доля светового потока от точечного источника может достичь (в пределе) 13,6%;

— проведено экспериментальное исследование особенностей предложенного интерферометра радиального сдвига и получено хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными для различных вариантов настройки интерферометра для тестируемых сферических и асферических поверхностей;

— показано, что новая разновидность голографического интерферометра — интерферометр радиального сдвига на основе СГОЭ — в силу своей низкой чувствительности к внешним воздействиям перспективен как бесконтактное контрольное устройство для оптических цехов.

3. Исследована возможность контроля шлифованных оптических поверхностей на основе использования нерассеянной составляющей лазерного излучения прошедшего через шероховатую поверхность или отраженную от нее.

— показано, что нерассеянная составляющая содержит информацию о форме огибающей шлифованной оптической поверхности;

— экспериментально исследована зависимость интенсивности нерассеянной составляющей для ряда стеклянных образцов с различной степенью шероховатости в отраженном и проходящем свете. Показано, что и в отраженном и проходящем свете интенсивность нерассеянной составляющей хорошо описывается экспоненциальной функцией от квадрата усредненной оптической разности хода, определяемой глубиной микрорельефа шлифованной поверхности и углом падения;

— разработан и экспериментально исследован с положительными результатами голографический метод контроля шлифованных оптических поверхностей по полированному образцупоказано, что применение синтезированных круговых и линейных СГОЭ способно обеспечить контроль без использования полированных образцов.

4. Предложен и исследован ряд оригинальных методов и устройств с использованием СГОЭ для контроля параметров оптических элементов, в том числе:

— метод и устройство для контроля центрировки линз, обеспечивающие наблюдение «биения» одновременно двух бликов (от передней и задней поверхностей тестируемой линзы);

— метод измерения радиусов кривизны вогнутых и выпуклых сферических и цилиндрических поверхностей, в том числе аттестацию радиусов основных сферических пробных стекол 1-го класса.

— метод одновременного измерения радиусов меридиального и сагиттального сечений торических поверхностей с помощью пропускающего СГОЭ в нулевом и первом порядках дифракции.

5. Рассмотрена и исследована возможность контроля параметров многокомпонентных центрированных оптических систем в частности:

— показана возможность поэтапного контроля процесса сборки объектива при помощи комплекта голограммных компенсаторов, синтезированных для 2-х, 3-х, 1 компонентов;

— предложена и реализована методика измерения фокальных (рабочих) отрезков объективов на основе использования СГОЭ в качестве образцового оптического элемента, обеспечивающего точность измерения до 0,05%.

— разработан и внедрен метод измерения диаметр наименьшего кружка рассеяния;

6. Предложены и экспериментально исследованы три варианта двухлучевого лазерного интерферометра с повышенной виброустойчивостью для широкой области спектра на основе плоских отражательных и пропускающих дифракци.

233 онных решеток, а именно:

— интерферометр на основе 4-х пропускающих решеток;

— интерферометр на основе 2-х отражательных решеток;

— интерферометр на основе отражательной и пропускающей решеток с узким опорным пучком.

7. Предложен универсальный метод контроля выпуклых и вогнутых оптических (в том числе и асферических) поверхностей на основе использования пропускающего СГОЭ в качестве пробного стекла.

8. Предложенные технические решения защищены четырьмя авторскими свидетельствами и двумя патентами РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главный итог исследований и разработок, включенных в настоящую диссертацию, заключается в осуществлении автором основной цели работысоздании комплекса прецизионных топографических методов и средств контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных систем.

Достижение этой цели стало возможным благодаря созданным автором научным основам синтеза осевых голограмм и построению на этой основе методов, средств и технологических процессов расчета, изготовления, тиражирования и аттестации круговых и линейных синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ).

Решенные проблемы:

— создание высокоэффективных СГОЭ как новой элементной базы для построения центрированных оптических систем различного назначения;

— кардинальное решение проблемы интерферометрического контроля асферических оптических поверхностей;

— разработка прецизионных бесконтактных устройств для технологического и аттестационного контроля параметров оптических элементов и многокомпонентных центрированных оптических систем;

— разработка новых, не имеющих классических аналогов, оптических устройств, реализующих фокусирующие, корригирующие, светоделительные и дисперсионные свойства СГОЭ в отдельности и в различных комбинациях.

Ниже приводятся основные результаты этой работы.

1. Выполнен анализ известных методов синтеза внеосевых голограммцифровых аналогов физических фраунгоферовских голограмм: методы Ломана, Ли и др. В их основу положен расчет распределения комплексной амплитуды светового поля в плоскости голограммы, в так называемых «ячейках разрешения» и отображение этих данных в большом формате с помощью графопостроителей с последующим фотографическим уменьшением. Показано, что из-за недостаточной точности и ограниченности диапазона пространственных частот эти методы непригодны для целей синтеза голограммных оптических элементов.

Сделан вывод о необходимости поиска принципиально новых подходов и путей решения проблемы получения СГОЭ, способных формировать волновые поверхности заданной формы с точностью до сотых долей длины световой волны Я при отступлении от гауссовой опорной сферы в десятки миллиметров (десятки тысяч X).

2. Показано, что реализация принципов осевой голографии является новым эффективным путем решения этой проблемы. Разработаны теоретические основы синтеза осевых голограмм посредством ступенчатой (бинарной) аппроксимации интерференционных полей, образуемых в результате суперпозиции заданных аналитически виртуальных объектных и опорных волновых фронтов с осевой симметрией:

— на основе представления о «дифрагированном» луче в скалярном приближении разработаны алгоритмы и получены уравнения для вычисления координат интерференционных колец (полос) осевых голограмм, получены формулы, позволяющие оценить их дифракционную эффективность и отношение сигнал/шум;

— на этой основе разработан пакет прикладных программ для расчета на ЭВМ микроструктуры осевых СГОЭ.

3. Разработан оригинальный технологический процесс получения СГОЭ, основанный на отображении рассчитанной на ЭВМ микроструктуры ступенчатой голограммы непосредственно (без необходимости изменения масштаба) с помощью специального алмазного резца в тонком металлическом слое, нанесенном на подложку высокого оптического качества:

— разработан автоматизированный комплекс аппаратуры для изготовления круговых и линейных синтезированных голограмм световым диаметром до 250 мм и пространственной частотой до 1500 мм Такие голограммы обеспечивают возможность формирования волновых поверхностей с асферичностью до нескольких десятков миллиметров при отклонении от заданной формы не более десятых долей длины световой волны X. Это позволяет, например, изготовить оптический компенсатор для контроля с интерферометрической точностью вогнутого параболического зеркала (главного зеркала телескопа) диаметром до 20 метров при относительном отверстии 1:2;

— разработаны методы тиражирования СГОЭ путем высокоточного копирования голографического микрорельефа в тонких слоях малоусадочных полимеризующихся полиэфирных и эпоксидных смол холодного отверждения;

— предложен и экспериментально проверен ряд методов контроля синтезированных голограмм. Доказано, что с их помощью возможно выявить погрешности синтеза и копирования, соответствующие отклонению формируемых волновых поверхностей от расчетной формы до сотых долей X.

4. Теоретически и экспериментально обоснована возможность практической реализации принципов осевой голографической интерферометрии для решения актуальных контрольно-измерительных задач оптической технологии. При этом:

— предложен, всесторонне проанализирован и экспериментально исследован ряд схемных решений осевого голографического интерферометра;

— создана универсальная установка для реализации различных схемных решений голографического интерферометра;

— показана возможность использования в интерферометре физической голограммы, полученной по образцовому оптическому элементупредложена и опробована осевая схема двухдлинноволнового голографического интерферометра.

5. Предложен, экспериментально исследован и защищен несколькими авторскими свидетельствами и патентами комплекс голографических методов и средств контроля оптических элементов с асферическими поверхностями и многокомпонентных оптических систем на основе использования осевых СГОЭ:

— показано, что при контроле асферических поверхностей СГОЭ может выполнять в интерферометре функцию либо образцового оптического элемента, либо оптического компенсатора, причем наибольшей универсальностью обладает компенсационный вариантразработан и экспериментально опробован оригинальный метод интерферометрического контроля формы цилиндрических поверхностей и профиля асферических поверхностей вращения с помощью цилиндрических осевых СГОЭ;

— предложен и экспериментально опробован метод контроля оптических поверхностей с использованием высших порядков дифракции осевых СГОЭ;

— разработан метод оценки погрешностей контроля, обусловленных отклонением параметров схемы интерферометра от их значений, принятых при расчете голограммы;

— предложен и проверен экспериментально голографический метод коррекции влияния дефектов формирующей оптики интерферометра с СГОЭ и погрешностей его юстировки. Показано, что его реализация позволяет существенно повысить точность и надежность измерений;

— предложен и исследован метод получения интерферограмм сдвига, основанный на использовании осевых СГОЭ, выполняющих в интерферометре одновременно три функции: светоделителя, оптического компенсатора и плоского зеркала. Показано, что новая разновидность голографического интерферометра — интерферометр радиального сдвига, основанный на использовании осевых СГОЭ, является эффективным средством контроля асферических поверхностей в цеховых условиях в силу его чрезвычайно высокой виброустойчивости и светосилы;

— предложен и исследован метод контроля крупногабаритных выпуклых асферических поверхностей на основе использования СГОЭ и обращения волнового фронта. Экспериментально показано, что при этом дефекты формирующей оптики практически не влияют на точность контроля. — предложен универсальный метод контроля выпуклых и вогнутых оптических (в том числе и асферических) поверхностей на основе использования пропускающего СГОЭ в качестве пробного стекла.

— в течение ряда лет в ГИПО выполнен технологический и аттестационный контроль большого количества асферических поверхностей второго и высших порядков, изготовленных из различных материалов (оптическое стекло, кварц, керамика, ситалл, германий, кремний и др.) с помощью осевых СГОЭ в проходящем и отраженном свете.

6. На основе СГОЭ разработан и изготовлен ряд оригинальных контрольно-измерительных приборов и устройств: асферометры типа АГ-2, голографические интерферометры серии ГИП, устройство для контроля центрировки линз, стенд для контроля радиусов сферических и цилиндрических пробных стекол и др.

Все эти устройства в течение многих лет используются в опытном производстве Государственного института прикладной оптики (г. Казань) — некоторые из них в 70−80гг. были внедрены на ряде предприятий отрасли: ПО КОМЗ (г. Казань), ГОИ им. С. И. Вавилова, ЛОМО (г. С.-Петербург), ПО «Завод Арсенал» (г. Киев), ПО «Новосибирский приборостроительный завод» (г. Новосибирск), БелОМО (г. Минск) и др.

7. В рамках данной диссертации под руководством автора разработан и внедрен с 01.01.1981 года сборник отраслевых стандартов «Детали оптические с асферическими поверхностями. Метод контроля с пользованием синтезированых голограмм» (ОСТ-4730−80-ОСТ-4732−80, [144]) .

Кроме того, автор с сотрудниками (Ларионов Н.П., Маврин C.B., Мустафин К. С., Рафиков P.A.) в 1979;1980 гг. приняли также деятельное участие в разработке двух государственных стандартов [179,180].

Считаю своим приятным долгом выразить благодарность всему относительно немногочисленному, но профессионально, высокоэффективно и в доброжелательной атмосфере на протяжении многих лет обеспечивающему разработку и внедрение голографических контрольно-измерительных методов и средств в опытное производство ГИПО и на ряде предприятий отрасли коллективу моих коллег и сотрудников:

Агачеву А.Р., Городецкому A.A., Знаменскому М. Ю., Ларионову Н. П.,.

Протасевичу Д.В.|, Нюшкину A.A., Лисовой Е. Г., Куксу В. Г., Кулыгиной.

H.A., Маврину С. В., [Мустафину К.С.|, Мироновой Т. А., Рафикову P.A.,.

Скочилову А.Ф., Хузину Ф. Г., Циглеру Ю. Н,, Чернышеву В. М., Чугунову Ю.П.

Выражаю глубокую признательность бывшему директору ГИПО С. О. Мирумянцу (ныне ученому секретарю, доктору ф.-м. н., профессору), который в свое время одним из первых оценил перспективность оптической голографии и с самого начала активно способствовал становлению в ГИПО.

Вл^^А иоппрпттритт VЧ^/Х ^ ИША^аВ^Л^АШП,.

Выражаю искреннюю признательность генеральному директору ФНПЦ ГИПО, доктору ф.-м. н., академику РАИН Иванову В. П. за глубокое понимание актуальности и перспективности развития основных направлений голограммной и асферической оптики как важнейших и уникальных источников расширения элементной базы современного оптико-электронного приборостроения, и в частности, тепловизионной аппаратуры новых поколений, разрабатываемой в ФНПЦ ГИПО под его непосредственным руководством.

Выражаю глубокую признательность докторам ф.-м.н. профессорам Штыркову Е. И. и Филлипову В. Л. за полезные советы и пожелания, которые я постарался учесть в данной работе.

Благодарю Бородулину Е. В., Мельникова А. Н., Вотякову О. Н., Зингееву Л. В., Чугунову Е. В. за помощь в оформлении диссертации.