Изготовление выпуклых асферических поверхностей

[ekvi]

                                                                                             "Редкая птица долетает до середины Днепра ...". Н.В. Гоголь.

На Форуме бытует расхожее мнение: телескоп (или астрограф) системы сэра Ньютона - предел мечтаний для ЛА. Когда спрашиваешь "Почему?", носитель мнения отвечает "Даже параболу осилит не всякий и т.д."
Поэтому всё ниже излагаемое предназначено всем тем, кто, собравшись с духом, "осилил параболу" и набрался опыта работы с оптикой. Остальным ЛА также не вредно будет познакомиться.

[ekvi]

Изготовление выпуклой поверхности ничем не отличается от изготовления вогнутой поверхности. Всё те же операции: обдирка, шлифовка, полировка. Если поверхность сферическая, то и контроль её такой же, как и вогнутой - сферическим пробным стеклом.
Тут ЛА сразу возразит: откуда у меня пробное стекло?! Попрошу без паники! Если Вам удалось "одолеть параболу", то Вы уже мужественный человек и зрелый специалист, овладевший своими эмоциями. Далее всё разъясняется.

Существует много альтернативных методов контроля выпуклых асферических поверхностей (АП).
1. Асферическим пробным стеклом.
2. Сферическим пробным стеклом во время изготовления АП методом упругого деформирования её заготовки.
3. Автоколлимационным методом с применением сферического компенсатора.
4. Автоколлимационным методом с использованием тыльной плоской поверхности самой асферической детали.
5. Теневым методом напроход со стороны тыльной сферической поверхности самой асферической детали.
и т.д.

[ekvi]

На протяжение всего времени пришлось изготавливать не только выпуклые 2-е зеркала к кассегреновским системам, но и самостоятельные линзы с АП.
- 1978 г. : 2-е зеркало Ф 120 мм к системе РК Ф 480 мм.
- 1984 г. : асферический объектив Ф 100 мм к монохроматическому коллиматору.
- 1988 г. : 2-е зеркало к системе РК Ф 250мм (методом упругой деформации).
- 1990-е и 2000-е гг : 2-е зеркала Ф 80 мм к системе РК Ф 250 мм - контроль со стороны вогнутой тыльной сферы..

[Анатолий Белкин]

Владимир Ильич. Выпуклое второе зеркало в системах кассегрена можно рассматривать, как однозеркальный корректор?

[ekvi]

Вот литература, которой пользовался:
1. М.С. Навашин. Телескоп астронома-любителя. М.: 1979.
2. Н.Н. Михельсон. Оптические телескопы. М.: 1976.
3. Н.П. Заказнов, В.В. Горелик. Изготовление асферической оптики. М.: 1978.
4. Д.Т. Пуряев. Методы контроля оптических АП. М.: 1976.
5. Г.М. Попов. Современная астрономическая оптика. М.: 1988.
6. Справочник конструктора ОМ приборов под ред. В.А. Панова. М.: 1980.
7. М.М. Русинов. Несферические поверхности в оптике. М.: 1973.
8. В.И. Каширин. Основы формообразования оптических поверхностей. Е-бург, 2006.

[ekvi]

Выпуклое второе зеркало в системах кассегрена можно рассматривать, как однозеркальный корректор?

Да. А при его изготовлении ГЗ - как компенсатор. Причём, как отмечает kryptonik, изготовление 2-го зеркала в паре с ГЗ призвано гарантировать наивысшее качество результирующей системы - по сравнению с самостоятельным изготовлением 2-го зеркала. Правда, сам я этим методом пытался изготавливать только один раз: требуется идеальная юстировка пары, а, главное, - гарантированный возврат в этот "идеал", что возможно только с "чугунно-бронзовой" трубой.
Вы, наверное, обратили внимание на замечание bibliografa: положение 2-го зеркала в ватиканском грегори мониторится интерференционным способом. И это не метафора: асферические ГЗ и 2-е нужно хорошо расположить как вдоль оси, но, главное, поперёк неё.
PS. Обращаю внимание: в ватиканском грегори ГЗ имеет уникальное соотношение F/D = 1. Обычно F/D = 3 ... 5, потому требование к соосности зеркал намного мягче.

[ekvi]

Выпуклое второе зеркало в системах кассегрена можно рассматривать, как однозеркальный корректор?

В дополнение к #5 ответу.
Изготовление-доводка 2-го зеркала в паре с ГЗ возможна для ЛА только в системе Кассегена: теневым методом можно получить 0-тест только на оптической оси.
Для систем Ричи-Кретьена (РК) такой метод в принципе не верен, т.к. качество работы пары контролировать необходимо по всему полю - иначе результирующей будет не система РК, а кассегрен с не исправленной комой.
Разумеется этот "запрет" можно обойти, но большими усилиями. Именно поэтому этим методом я никогда больше не пользовался.

[ekvi]

1. Изготовление 2-го зеркала к РК 480/12.4:
 Ф 120 мм, Ro = 853 мм, е2 = 2.803, d30 = 7.42 мкм, с использованием асферического пробного стекла.

Для изготовления асферического пробного стекла потребовалось контр-стекло такого же диаметра, как и 2-е зеркало, а также полировальник для полировки и асферизации 2-го зеркала.
Посредством шлифовки стекло-по-стеклу были получены две заготовки: одна - для 2-го зеркала, другая - для пробного стекла.

Заготовку для 2-го стекла я использовал в качестве основания для полировальника, на котором отполировал и асферизовал пробное стекло с АП, имеющей те же параметры, что и у 2-го: Ro = 853 мм, е2 = 2.803, d30 = 7.42 мкм, но вогнутую.
Контроль проводил теневым методом.

Затем очистил 2-е зеркало и промыл его от полировочной смолы.

Изготовил полировальник Ф 120 мм, с вогнутым радиусом R = 853 мм. на котором отполировал поверхность 2-го зеркала по сфере.
Поверхность полировальника отретушировал в форме 4х-лепестковой ромашки, и на этой маске начал асферизовывать 2-е зеркало.

Сначала при наложении пробного стекла на 2-е зеркало под лампой накаливания были видны радужные концентрические кольца Ньютона, сужающиеся от зоны контакта к центру и краю поверхностей. По мере асферизации кольца Ньютона начали расширяться, пока совершенно не исчезли, а на их смену между поверхностями появилась разноцветная заливка, которую посредством ретуши полировальника удалось из красно-зелёной перевести в одноцветную тёмно-зелёную.

Особую осторожность пришлось проявлять при наложении пробного стекла на 2-е зеркало. В то время я уже работал на ОМЗ и успел подглядеть, как это делали специалисты. Сначала обе поверхности протираются салфеткой, увлажнённой спиртом, затем они протираются сухой салфеткой, смахиваются малейшие пылинки, а перед самым наложением обе поверхности протираются ладонью руки.
Наложение пробного производится с края поверхности, лёгким продвижением к центру. Но можно накладывать и прямо, осесимметрично. При этом поверхности должны "плыть" одна по другой, без затираний. При малейшем закусывании, необходимо немедленно прекратить продвижение пробного стекла на 2-е, взять его "на-излом", оторвать от 2-го зеркала и снять. Повторить процедуру протирки и попытаться снова наложить пробное стекло на 2-е зеркало.
Если не выполнить описанные выше меры предосторожности, то неизбежно возникнут царапины на полированных поверхностях, которые постепенно будут извожены и придётся возвращаться к перешлифовке, полировке и к асферизации.

В 1990-м, работая на НПЗ, я участвовал в изготовлении вогнутых асферических зеркал диаметром более 200 мм под пробное стекло того же диаметра. Сначала АП контролировалась при освещении ламп дневного освещения, интерференционная картина была малоконтрастной, едва различимой. После изготовления осветителя на базе натриевой лампы всё стало ярким и контрастным.
Для локализации местных и особенно зональных ошибок целесообразно пробное стекло накладывать на контролируемую поверхность, создавая небольшой клиновой зазор: между поверхностями появляются полосы, своим изломом выказывающие местоположение ошибок. Местная или зональная ретушь полировальника производится по результатам такого контроля. К сожалению тогда, в 1978-м, асферизуя своё первое 2-е зеркало, я не воспользовался этим эффективным приёмом.

[Astel-150]

Выпуклое второе зеркало в системах кассегрена можно рассматривать, как однозеркальный корректор?

В дополнение к #5 ответу.
Изготовление-доводка 2-го зеркала в паре с ГЗ возможна для ЛА только в системе Кассегена: теневым методом можно получить 0-тест только на оптической оси.
Для систем Ричи-Кретьена (РК) такой метод в принципе не верен, т.к. качество работы пары контролировать необходимо по всему полю - иначе результирующей будет не система РК, а кассегрен с не исправленной комой.

Склонен с Вами не согласится:
Одинаково можно контролировать как Кассегрен, так и Ричи-Кретьен, так как и там и там имеет место гиперболическая поверхность строго определенного эксцентреситета и в обоих системах оно должно компенсировать СА на оси. В первом случае оно не должно вносить аберрации, то есть здний фокус гиперболы 2 зеркала совмещен с фокусом 1, параболического зеркала, во втором случае, гипербола 2 зеркала компенсирует СА 1, гиперболического зеркала. Но и в том и другом случае, для определенного положения фокуса системы и радиуса 0 2 зеркала, это сделает только одно, строго определенное 2 зеркало.
Другое дело, внеосевые аберрации, которые как в первом, так и во втором случае, не возможно проконтролировать не смещаясь с оси, а так как они при идеальном 2 зеркале не нулевые, в первом случае это кома, во втором астигматизм, проконтролировать качественно только используя 1 зеркало не получится, так как мы не увидим отклонение поверхности от расчетной, на краю поверхности 2 зеркала. Для этого и используют сферическое эталонное зеркало в автоколлимации, которое позволяет охватить всю поверхность выпуклого гиперболического 2 зеркала.

[ekvi]

Склонен с Вами не согласится

Да, спасибо за бдительность: когда уже отправил, заметил, что речь шла о РК, в котором ГЗ = гиперболоид, а не параболоид. Тут сказалась "интерференция" воспоминаний с описанием конкретной системы.
Но Вы сами отмечаете, что более корректно контролировать всю площадь 2-го зеркала

Для этого и используют сферическое эталонное зеркало в автоколлимации, которое позволяет охватить всю поверхность выпуклого гиперболического 2 зеркала.

Но для этого потребуется компенсационная сфера в 2 и более большего диаметра, чем 2-е зеркало - "удовольствие", которым я за всю свою практику так ни разу и не воспользовался.

[Дмитрий Маколкин]

. Изготовление 2-го зеркала к РК 480/12.4:
 Ф 120 мм, Ro = 853 мм, е2 = 2.803, d30 = 7.42 мкм, с использованием асферического пробного стекла.

Простите, но Ваше зеркало удобнее контролировать, если использовать схему контроля в автоколлимации на просвет, с использованием сферической тыльной стороны нужного радиуса кривизны.
Просто делается двояковыпуклая линза с нужными радиусами кривизны и потом одна сторона асферизуется до плоского рельефа.

Главное, что используется компенсационный метод и контролируется вся поверхность. А уж сделать заднюю сторону под пробник - не проблема.

P.S. Не сразу разглядел п. 4 в Вашем первом сообщении, каюсь!

[ekvi]

Ваше зеркало удобнее контролировать, если

Спасибо, Дмитрий, за участие! Предлагаемый Вами метод описан в монографии Д.Т. Пуряева "Методы контоля оптических АП", на с. 34 - 37.
Только РК Ф 480 и само 2-е зеркало были изготовлены в туманном 1978-м. А излагаю я всё это не потому, что, как в том анекдоте, "Приятно вспомнить!", а подвожу начинающего профессионала к мысли о том, что не все методы одинаково хороши, но существуют некоторые, по своим характеристикам более подходящие для ЛА.

[ekvi]

Итак, продолжу обзор методов контроля выпуклых АП, которые прошли через мои руки.

2. Изготовление выпуклой АП методом упругой деформации с контролем АП сферическим пробным стеклом.

В Курсе лекций "Основы формообазования оптических поверхностей" в параграфе 9.4 изложена технология изготовления АП 2-го порядка, которую я использовал при изготовлении асферического объектива Ф 100 мм, работающего на спектральной линии D, а также 2-го зеркала к РК Ф 220 с эквивалентным фокусом 2500 мм.

1. Изготавливается концентрический мениск толщиной h с полированной выпуклой поверхностью.
2. Мениск устанавливается на плоскую поверхность и герметизируется к ней с помощью паяльника "замазкой Менделеева".
3. Полость между мениском и плоскостью вакуумируется до получения у мениска заданного прогиба Wo.
4. Деформированная поверхность полируется и контролируется пробным стеклом по сфере радиуса Rи.
5. Нагрузочное устройство разгерметизируется, заготовка снимается. Изготовление 2-го зеркала на этом завершается.
6. Обаботанная АП защищается лаком и производится обработка второй поверхности детали.

[lx75]

Спасибо за интересную тему и что делитесь опытом!
Тоже иногда думал о двухзеркальной телескопической системе. Наверное возможно упростить изготовление и юстировку если рассматривать систему Долла-Киркхема, ГЗ вогнутый эллипсоид, ВЗ выпуклая сфера, что облегчит изготовление, контроль и юстировку системы. При малом относительном отверстии f/15 кома  для окуляра 1.25 дюйма  уже сопоставима с комой классического Кассегрена.

[Skyangel]

Когда делятся реальным опытом -это всегда интересно!

[ekvi]

рассматривать систему Долла-Киркхема,

Спасибо за напутствие!
Система ДК многократно рассматривалась на А-Форуме.
Видимо, я неисправимый максималист: у ДК кома - как у "голого параболоида". Успокаивает только то, что среди ЛА не один я такой. Вспомните: когда Д.Д. Максутову указали на то, что вот-де за кордоном, руководствуясь целесообразностью, в системе оставляют допустимые ошибки, он упрямо воскликнул "Но мы всегда будем делать только первоклассную оптику!".

[ekvi]

3.  Контроль выпуклой АП со стороны вогнутой тыльной сферы.

Это - принципиальный подход к решению проблемы контроля выпуклых АП. Тут только потребуется монохроматический источник света и знание марки стекла, из которого Вы собрались делать деталь.
А это уже сущий пустяк:
- натриевая лампа зажигается на напряжении 42 вольта и в номинальном режиме потребляет ток 1 А; если очень ярко, уменьшите ток; она излучает свет на линии D;
- стёкла К8 и К108 имеют одно и то же значение показателя преломления nD = 1.5164.
- стекло вертикальной вытяжки (СВВ) - оконное, витринное, имеет nD = 1.515.

1. Изготавливается концентрический мениск (можно с равными радиусами):
= производится кругление детали до заданного диаметра. Эта операция обязательна: невозможно выдержать с заданной точностью косину детали, если её диаметр по окружности будет "гулять";
= шлифуется и полируется по сфере вогнутая тыльная сторона,
= выдерживая косину как можно более точно, шлифуется и полируется по сфере рабочая выпуклая сторона 2-го зеркала.
2. Производится асферизация выпуклой поверхности (см. п 1 данного Обзора) при её контроле теневым методом со стороны вогнутой тыльной сферы. При этом значения приращений радиусов на зонах, вычисленные для вогнутой АП в воздухе, должны умножаться на показатель преломления стекла детали.

Как можно видеть, в этом случае асферизация выпуклой АП полностью аналогична асферизации вогнутой АП.

Этим способом мной асферизовано большинство вторичных зеркал.


 

[ekvi]

Наконец, 4-й способ контроля выпуклых АП, о котором упомянул Д.Маколкин: компенсационный.
Этот способ предполагает обязательное наличие дополнительно хотя бы одной поверхности. По понятным причинам я не стану рассматривать автоколлимационный контроль с компенсационной сферой большого диаметра, а остановлюсь только на использовании вспомогательной поверхности того же диаметра, что и изготавливаемая АП. Остальные способы подробно рассмотрены в монографии Д.Т. Пуряева.
4.1.  Контроль ВЗ через его плоскую тыльную поверхность.
Как и во всех предыдущих случаях начинать нужно с кругления заготовки ВЗ. Затем - обработка плоской поверхности. Далее - шлифовка, выдерживание заданной расчётной толщины, зависящей от e² АП и показателя преломления стекла, из которого делается ВЗ, обеспечение минимальной косины и полировка по сфере рабочей поверхности ВЗ.
Асферизацию поверхности ведут полировальной маской, как описано выше.

[ekvi]

4.2. Компенсационный контроль АП с использованием тыльной поверхности ВЗ в качестве отражающей поверхности.
Пуряев рекомендует предварительно покрывать тыльную сферу отражающим покрытием, но, по-моему, это не обязательно: если ВЗ не клеить на смолу, а посадить на фаску в оправку, отражающая поверхность доставит ~4% света, что, как известно, в затенённой комнате, достаточно.
На схемах поверхности 0-1 - коллиматор, 2 и 4 - контролируемая АП Ф 80 мм с Ro = 1000 мм, 3 - тыльное зеркало. Длина волны света = 589.3 нм, материал ВЗ - оптическое стекло К8.
На 1-й илл. - у ВЗ e² = 2.81, на 2-й - e² = 8.3.

[Дмитрий Маколкин]

4.1.  Контроль ВЗ через его плоскую тыльную поверхность.

Если я не ошибаюсь, то почему-то сказав "А", Пуряев не сказал "Б". Плоскую поверхность можно сделать радиусной, тогда диапазон асферик заметно расширится. Или он дальше об этом писал?