Внеосевые параболические зеркала

Скачать статью "Внеосевые параболические зеркала" (PDF, 396 KB)

Из всех типов асферических отражателей наиболее часто в оптических приборах используются именно параболические зеркала. Они лишены сферических аберраций, поэтому фокусируют параллельный пучок лучей в одной точке или проецируют точечный источник в бесконечность.
Многие оптические системы не требуют использования осесимметричной апертуры. Более того, для некоторых устройств категорически недопустимо затенение траектории лучей центральной частью зеркала. Использование в таких системах внеосевых зеркал вместо осесимметричных обладает несомненными преимуществами.

Внеосевые параболические зеркала в основном применимы в следующих устройствах:

• системы моделирования объекта;
• коллиматоры;
• системы измерения и другие оптические контрольные приборы;
• спектроскопические системы и системы с нарушенным полным внутренним отражением (НПВО, МНПВО);
• радиометры;
• расширители луча;
• системы измерения расхождения лазерных лучей.

Использование приборов с внеосевой оптикой позволяет добиться следующих преимуществ:

• сократить размеры системы;
• сократить массу системы;
• использовать зеркала как клиновидной, так и равнотолщинной конфигурации;
• сократить стоимость системы.

Таким образом, возрастает эффективность и конкурентоспособность приборов.
 

В настоящий момент не существует единой системы обозначений для специфицирования внеосевых параболических зеркал. Различные производители используют различную терминологию для описания одних и тех же параметров изделия. Для вашего удобства мы приводим схематический эскиз внеосевой параболы с используемыми нами условными обозначениями.

Рис. 1. Схема внеосевого параболического зеркала.

Истинное фокусное расстояние (PFL) - это фокусное расстояние истинной параболы. Форма поверхности параболы определяется как Z=R^2/4*PFL, где R - это радиальное расстояние от вершины параболы, а Z - сагиттальное отклонение поверхности. 

Наклонное фокусное расстояние (SFL)  - это расстояние между геометрическим центром внеосевого параболического зеркала и фокусом параболы. Эта величина рассчитывается на основании значения истинного фокусного расстояния и, наоборот, PFL можно рассчитать, исходя из значения SFL

Оптическая ось внеосевого параболического зеркала - это линия, параллельная оптической оси истинной параболы и проходящая через геометрический центр оптической поверхности внеосевого параболического зеркала

Зональный радиус (ZR) - это расстояние между оптической осью истинной параболы и оптической осью внеосевого параболического зеркала.

Внеосевое расстояние (OAD) - это расстояние между оптической осью истинной параболы и внутренним краем внеосевого параболического зеркала. Эта величина рассчитывается, исходя из значения зонального радиуса, и, наоборот, - значение ZR можно рассчитать, исходя из величины OAD.

К внеосевой параболе может быть прикреплено юстировочное плоское зеркало. Оно крепится перпендикулярно к оптической оси истинной параболы и, соответственно, оптической оси внеосевого параболического зеркала. Его наличие упрощает процедуру юстировки внеосевого параболического зеркала в составе оптической системы.

Cпецификация внеосевого параболического зеркала включает 5 основных параметров:

•  PFL (или SFL) - истинное (или наклонное) фокусное расстояние;
•  ZR (или OAD) - зональный радиус (или внеосевое расстояние);
•  CA - световой диаметр;
•  SA - точность поверхности зеркала;
•  SQ - класс чистоты поверхности.

Вспомогательные параметры:

•  предпочтительные диаметр и толщина - по умолчанию мы принимаем диаметр  и толщину = 1/8 диаметра;
•  предпочтительный материал - по умолчанию мы предлагаем оптическое стекло
•  ЛК-7 (российский аналог Pyrex);
•  тип покрытия - по умолчанию предлагается алюминий с защитой.

Основные характеристики производимых нами внеосевых параболических зеркал:

• стандартный материал -  ЛК-7 (аналог Pyrex); по запросу могут быть использованы другие материалы, например, Supermax33 (SHOTT), астроситалл (аналог Zerodur), кварцевое стекло или стекло К8 (аналог BК7);
• стандартная точность обработки поверхности составляет: полный размах ошибки (PV) - λ/8 на 633 нм, среднеквадратическое отклонение (RMS) - λ/40. Поверхности с большей точностью производятся по запросу;
•  стандартное покрытие: защищенный Al; прочие виды металлических покрытий: серебро или золото, а также диэлектрические покрытия наносятся по запросу;
• внеосевой угол составляет до 45 градусов. Типичная величина -  5-30 градусов;
• фокусное расстояние - от 150 мм до 12 метров. Типичная величина - 0,5-2 метров;
• световой диаметр - до 640 мм. Типичная величина - 100-400 мм. 

Все эти параметры взаимозависимы. Так, большее фокусное расстояние позволяет достичь более высокой точности поверхности зеркала SA, а больший зональный радиус ZR, наоборот, приводит к более низкой точности поверхности SA.


К каждому изделию прилагается сертификат, в котором указаны результаты тестирования точности поверхности зеркала SA, чистоты поверхности SQ, данные измерений фокусного расстояния (истинного PFL и наклонного SFL) и внеосевого параметра (зонального радиуса ZR, либо внеосевого расстояния OAD - по желанию заказчика), а также геометрические размеры.
К сертификату прилагаются: интерферограмма поверхности, вычисленный профиль ошибок поверхности, а также спектр отражения покрытия. Ниже приводятся типичная интерферограмма поверхности, профиль ошибок поверхности и спектр покрытия (Al+SiO) для зеркала со световым диаметром 8’’ (204 мм), зональным радиусом 7’’ (179,6 мм) и фокусным расстоянием 40’’  (1016 мм).

Рис. 2. Типичная интерферограмма внеосевого параболического зеркала.

Рис. 3. Реконструкция профиля ошибок поверхности.

Анализ волнового фронта

Единицы измерения деформации:   микроны
Длина волны, микроны:   0.633
Опорная поверхность:   сфера
Неучитываемые аберрации:    
Форма зонального распределения:   Полиномы Цернике

Параметры регулярных ошибок

D = -0.000 Lx = 0.000 Ly = -0.000 C = 0.000 RMS(W) = 0.009
A = 0.013 FIA = 41.300 PV = 0.025 RMS(W-A) = 0.007 FA = 0.361
B0 = 0.007 PV = 0.011 RMS(W-Z) = 0.008 FZ = 0.137
B2 = -0.043
B4 = 0.043
C = 0.020 FIC = 5.327 PV = 0.013 RMS(W-C) = 0.008 FC = 0.074

Местные ошибки

Где: D, Lx, Ly и C - стрелка, наклоны по осям и смещение опорной поверхности;
A, FIA - величина и угол разворота астигматизма;
C, FIC - величина и угол разворота комы;
RMS(W) - среднеквадратическое отклонение волнового фронта;
RMS(W-A), RMS(W-C) - среднеквадратические отклонения волнового фронта за вычетом,
соответственно, астигматизма и комы;
FA и FC - статистические оценки вклада, соответственно, астигматизма и комы в общую ошибку волнового фронта;
B0, B2, B4 - коэффициенты зональной ошибки (осесимметричных полиномов Цернике);
STRL, STRH - нижняя и верхняя границы числа Штреля;
PV - размах ошибки волнового фронта.

Краткое описание и основные преимущества наших технологий

На производстве применяется технология, разработанная в целях поставки больших объемов недорогих внеосевых параболических зеркал и последующего их использования для нужд оборонной промышленности. Традиционно внеосевые параболические зеркала изготавливаются с помощью полировки и разрезания больших осесимметричных параболических зеркал. Этот метод требует необоснованных затрат, особенно, если нужно изготовить всего 1-2 зеркала. Кроме того, в этом случае устанавливаются жесткие ограничения на сочетание фокуса, диаметра и внеосевого расстояния. Другой традиционный способ изготовления - алмазное точение. Его основными недостатками являются ограниченный набор материалов подложки (обрабатываются только металлы), а также низкие класс чистоты и точность поверхности.

Вместо вышеупомянутых методов производства внеосевых параболических зеркал в нашем случае внедрена модернизированная, управляемая компьютером технология полировки и локального ретуширования ошибок поверхности. Она сочетает преимущества обычной полировки (гладкая поверхность и возможность использования обычного стекла в качестве материала подложки) и алмазного точения (возможность производить зеркала без полировки полной параболы). Обработка оптической поверхности проходит в несколько этапов (итераций). После каждой итерации производится интерферометрическое измерение формы поверхности, что обеспечивает точное определение характера и расположения имеющихся ошибок поверхности внеосевого параболического зеркала. Затем информация из интерферометра поступает в компьютеризированное устройство управления полировочной машиной. Оно рассчитывает оптимальные траекторию и скорость вращения/перемещения компактной полирующей головки для ретуширования отдельных участков поверхности. Обычно выполняется около 10 циклов интерферометрических измерений с последующим ретушированием. Безусловно, сложные зеркала требуют значительно большего числа циклов.

Благодаря уникальной технологии производства, наша фирма может предложить вам точные оптические компоненты по вполне конкурентным ценам.

Механические оправы и держатели для внеосевых зеркал

В комплекте к зеркалам предлагается ряд высокоточных держателей и оправ, которые позволяют надежно и точно размещать оптику  в рабочей схеме или приборе. Все держатели доступны как в механической, так и в моторизированной версиях. В зависимости от требований заказчика могут быть предложены более точные подвижки и винты, стопорные механизмы. По запросу проводится сборка и юстировка зеркала в оправе, контроль  точности поверхности без оправы и в ней. В зависимости от размера оптического элемента предлагаются различные типы держателей. Каждый тип оправ и держателей также доступен в вакуум-совместимом исполнении.



Для зеркал диаметром  от 50 до 152 мм предлагаются оправы с подвижками в горизонтальной и вертикальной плоскостях.


Держатели выполнены из стали или алюминиевых сплавов , имеют несколько отверстий М6 для крепления на оптическом столе.  Тефлоновые вставки и фиксирующий винт предотвращают повреждение оптики при монтаже и использовании. 

Для зеркал диаметром до 250 мм рекомендуется кинематическая прецизионная оправа с трехточечным креплением. 


Удобно расположенные ручки винтов позволяют поворачивать зеркало в вертикальной и горизонтальной плоскостях.  Диапазон поворота ±1,5°, чувствительность 0,5 угловых секунд. Рельсовая система крепления  надежно удерживает оптический элемент , а также дает возможность регулировать высоту оптической оси. 

Для  оптики размером от 250 мм до 500 мм предлагается модификация держателя,  позволяющая  закреплять зеркала весом до 30кг.


Диапазон вертикального вращения  ±1,52°, горизонтального - ±1,55°. Чувствительность подвижек 1,5 угловых секунд.

Для крупногабаритных зеркал диаметром свыше 500 мм разработан специальный поворотный держатель. 


При отпущенных стопорных винтах оправа имеет возможность поворота зеркала на 360 градусов как вокруг горизонтальной, так и вокруг вертикальной оси. Поворотный столик имеет точную шкалу, что значительно упрощает грубое позиционирование. Для более тонкой настройки предусмотрены высокоточные винты с диапазоном вращения  ± 4 ° и разрешением до 3 угловых секунд в обеих плоскостях. Система крепления обеспечивает разгрузку зеркала и  не вносит искажения  в отраженный волновой фронт. Также данная оправа может быть использована для крупногабаритной астрооптики и оптики высокомощных лазеров диаметром до 1000 мм.

В случае необходимости, предлагаемые позиционеры  и оправы могут быть модифицированы согласно Вашим требованиям . 

Для получения котировки заполните, пожалуйста, форму запроса с указанием интересующих Вас элементов.