Фино изработeни поръчкови телескопи и прецизна оптика

Оптични изследвания

Интерферометричен тест

Интерферометричен тест

Извършваме тестове с интерферометър на готови сферични и параболични огледала.

Издаваме сетификат за качество на огледалото, както и предоставяме пълните дигитални резултати от изследванията.

Цена: 0.00 лв.

Навсякъде по света изследванията с интерфеометър са скъпоструващи, изискват специална техника и отнемат голям ресурс от време и труд. На този етап, все още предлагаме безплатни изследвания на всеки, който има интерес. Не пропускайте възможността да тествате вашето огледало безплатно.

Оценка на качеството на огледало

pic1Тъй като космическите обекти се намират на много големи разстояния, то светлинните лъчи, идващи от тях, достигат до Земята успоредни един на друг, а не радиално, както това се случва със земните обекти. За разлика от радиалните лъчи, тези успоредни светлинни лъчи не могат да бъдат фокусирани от сферична повърхнина в един общ фокус. Тази особеност се дължи на факта, че лъчите, които се отразяват от крайните зони на сферично огледало се фокусират по близо до повърхността, в сравнение с лъчите, които се отразяват от централните зони. Явлението е известно като „сферична аберация“.

Ако сферичната повърхнина се промени до параболична, тогава лъчите от всички зони, достигнали огледалото ще се фокусират в един общ фокус и ще произведат качествен образ. Затова параболичните огледала широко се използват в някои видове телескопи, например телескопите тип „Нютон“. Не всички телескопи използват параболични огледала, но с каквато и повърхнина да е огледалото на телескопа, то тя трябва да е проектирана така, че да елиминира сферичната аберация или в най-добрия случай да я сведе до приемливи граници.

pic2Ако е възможно да се произведе огледало с нулева сферична аберация, то противно на очакванията светлините лъчи не биха били прецизно фокусирани в една точка. Поради вълновия характер на светлината, всяко изображение, формирано от оптична система, страда от дифракция. Като резултат на това, образът на звезда ще се появи като светъл централен диск, заобиколен от бледи дифракционни пръстени. Този образ е известен като „диск на Айри“ по името на астронома Джордж Айри. Най-доброто, което може да очакваме е, че 84% от светлината ще попадне в централната част на диска, а останалите 16% ще се разсеят в дифракционните кръгове.
Колко все пак е допустимата грешка и как можем да преценим дали едно огледало е достатъчно качествено?

Първият оригинален стандарт е формулиран от лорд Райли, който гласи: „Ако светлинните лъчи, достигащи до фокуса имат разлика в оптичния път не по-голяма от 1/4 от дължината на вълната, то можем да кажем, че оптичната система е практически с достатъчна точност.“ Практически е невъзможно да се установи визуално разликата между перфектно огледало и огледало със сферична аберация по малка от 1/4 от дължината на вълната. Ако грешката е по-голяма от 1/4 от дължината на вълната, централната част на диска на Айри започва да получава по-малко светлина в сравнение с дифракционните дискове.

Грешка „от връх до долина“ - PV (Peak to Valley)

Ако огледалото може да бъде описано с грешка PV от 1/4 ламбда по вълновия фронт, то това означава, че разликата между най-високата и най-ниска точка от повърхността на огледалото е 1/8 ламбда. По този начин огледалото отговаря на установения критерий за добро качество.
Представете си сега, че имате две огледала, и двете с грешка 1/4 ламбда по вълновия фронт (1/8 ламбда разлика по повърхността). Едното обаче има една такава грешка по повърхността, а другото има няколко такива грешки. И двете удовлетворяват стандарта за качество и имат еднакъв показател PV, но не са еднакви по качество. Ясно е, че критерият PV не дава пълна картина за качеството на огледалото, защото не може да отчете броя на грешките по цялата повърхност.

„Средна квадратична“ грешка - RMS (Root Mean Square)

Целта на този показател е да характеризира по-добре цялата повърхност на огледалото като отчете относителния размер на дефектите. Това става като се направят измервания по цялата повърхнина на огледалото. Същият метод се използва и в статистиката за обработка на случайни величини, известен като „средно квадратично отклонение“.
Важно е да се отбележи, че за да може да се ползва успешно този метод, трябва да бъдат взети замерванията от много на брой еднакви малки части от огледалната повърхност. Това може да бъде направено само с интерферометър, с който може да се изследва вълновия фронт по цялата повърхност на огледалото.
Прието е, че едно огледало с гладка повърхност, което има разлика в корекцията 1/4 ламбда по вълновия фронт, отговаря на стойност 1/14 RMS. Въпреки очевидното предимство на този показател, обаче, не е приет стандарт за някаква стойност на „средната квадратична“ грешка.

Коефициент „Strehl“ - SR (Strehl ratio)

pic3

Може би най-добрият начин да се определи количествено грешката на всяка оптична повърхност е чрез коефициента "Strehl". Коефициентът Strehl показва съотношението между интензивността на светлината в централната част от диска на Айри на огледало с определена аберация към интензивността на светлината при перфектно огледало без аберация. Стойността на коефициента Strehl варира от нула до единица, като единица е стойността на перфектно огледало без аберация. Понякога коефициентът се изразява и в проценти, като коефициент Strehl = 1 или Strehl = 100% означава, че в централната част от диска на Айри попадат възможните 84% от цялата светлина.

Въпреки, че характеристиките „PV“, „RMS“ и „Strehl ratio“ имат различен смисъл и е некоректно те да бъдат сравнявани, то за огледало с гладка повърхнина е приета следната зависимост: Граничната грешка от 1/4 PV, която покрива оптичния стандарт за качество, отговаря на 1/14 RMS и на 0.82 Strehl

 

Често използвана връзка между трите показателя за качество е дадена по-долу:

P-V        RMS       Strehl          коментар

1/3         1/11        0.710          - под стандарта
1/4         1/14        0.820          - на допустимата граница (difraction limited)
1/5         1/18        0.880          - добро
1/6         1/21        0.920          - много добро
1/7         1/24        0.940          - много добро
1/8         1/28        0.950          - отлично
1/9         1/31        0.960          - отлично
1/10       1/36        0.970          - отлично
1/11       1/38        0.974          - отлично
1/12       1/42        0.978          - превъзходно

 

Драскотини и дупчици по оптичната повърхност

scraches pitsОбикновено наличието на малки драскотини (scratches) и дупчици (pits) по оптичната повърхност е просто козметичен дефект, който не оказва никакво практическо влияние върху качеството на оптиката и на получения образ. Наличието им е по-скоро психологически и търговски проблем. В това може да се убедите, когато погледнете съществуващите стандарти за допустими драскотини и дупчици по повърхността на оптиката.

Най-честата спецификация, която се използва за да опише драскотините и дупчиците по оптичната повърхност е тази, използвана от армията на САЩ - MIL-REF-13830B. Само малка част от хората разбират тази спецификация, но тя се е превърнала в стандарт за малка оптика в Съединените щати. Важно е да се отбележи, че оценката на наличието на драскотини и дупчици се извършва чисто визуално, без да се измерва количествено, като повърхнината се сравнява с набор от стандарти, които да съответстват на стандарта MIL-O-13830B на армията на САЩ. Следователно номерата, описващи качеството на огледалото не показват действителната широчина и брой на установените драскотини и дупчици, а просто наличието им в сравнение с определена група от установения стандарта.

Качеството се описва обикновено с две цифри "20-10", "60-40", или "80-50". Първото число показва максималната ширина за драскотина измерена в микрони, а второто число е максималният диаметър за дупчица в стотни от милиметъра. Така, 60-40 означава, че допустимата видимата ширина за драскотина е 60 микрона (0.06mm), а допустимият диаметърът за дупчица е 0.4 mm.

Стандартни групи

80-50    - Приемливо качество, лесно за произвеждане
60-40    - Търговско качество, използвано за некритични лазери с ниска мощност и образни приложения, където известно разсейване на светлината не е толкова важно
40-20    - Стандарт за научно изследователски приложения за лазери с ниска до умерена мощност или образни приложения, които допускат слабо разсейване на светлината.
20-10    - Прецизно качество, минимален стандарт за лазерни огледала и оптика, използвани при лазери с умерена до висока мощност. Минимизиране на разсеяната светлина.
10-5    - Изключително прецизно качество, използвано за най-взискателните приложения, като например лазерна оптика или образни приложения с висока мощност.

Драскотини

Драскотината е белег или разкъсване на полираната или метализирана повърхност на огледалото. Големината на драскотините се измерва чрез сравняване на външния вид на повърхнината с контролна повърхнина със стандартни драскотини при контролирано осветление. Общата дължина на най-големите драскотини по повърхността не може да надвишава една четвърт от диаметъра на оптичния елемент.

Дупчици

Дупчицата е малка груба точка или ямичка на полираната или метализирана оптична повърхност, получена от дефект в оптичния материал или при процеса на шлифоване. Дупчиците се дефинират по действителния си диаметър в десети от микрона, или в стотни от милиметъра. Броят на дупчиците с максимални размери не може да надвишава като число диаметъра на оптичния елемент разделен на 20. Сумата от диаметрите на всички налични дупчици не трябва да надвишава два пъти диаметъра на максималния размер по броя на дупчиците с максимален диаметър.

 

Пример:

Оптика с диаметър 200 мм и с определено качество на оптичната повърхност 60-40, въз основа на горните ограничения, може да има няколко драскотини с ширина 0.06 мм (номер 60), чиято обща дължина не надвишава 50 мм. Тя може да има до 10 броя дупчици с максимални размери от 0.4 mm (номер 40), като сумата от диаметрите на всички дупчици не надвишава 8 милиметра.

 

В практиката спецификацията 80-50 обикновено се счита за стандартно качество, 60-40 за прецизно качество и 20-10 за качество с висока прецизност. Изискванията за огледалата за телескопи обикновено са за качество 80-50

При производството на нашите огледала винаги се стремим да има нула драскотини и нула дупчици по оптичната повърхност. По изключение е възможно наличието на една или две микроскопични драскотини или дупчици, но огледалата ни се включват винаги в категорията на качество с много висока прецизност по описания стандарт.

 

Интерферометричен тест и сертификат за качество

pic2При изследване качеството на огледало за телескоп, както и в процеса на изработването му, широко и успешно се използват методите на Фуко и Ронки и с тяхна помощ могат да се открият и коригират множество дефекти и да се постигнат много добри резултати. Могат да се уловят върхове и долини по повърхнината на огледалото, обърнати ръбове, астигматизъм, сферична аберация, може да се прецени дали повърхнината е груба или гладка, доколко е плавен преходът между зоните. Методите на Фуко и Ронки са отлични тестове за качествена оценка на тези показатели. Доколко обаче добро и качествено е едно огледало и какъв е количествения израз на показателите му, може да се установи само при изследване с интерферометър. Също така, докато при методите на Фуко и Ронки на резултатите и интерпретирането им може да повлияе и субективния фактор, то при изследването с интерферометър, субективният фактор не оказва никакво влияние.

Заедно с други показатели от изследването с интерфеометър, като количествена характеристика, описваща състоянието на огледалната повърхнина, се получава коефициента Strehl.

Стойност на коефициента Strehl=0.82 (RMS = 1/14) показва, че огледалото е с „ограничена дифракция“ (difraction limited) и покрива стандарта за качество на Райли. Това означава, че 82% от възможната светлина ще попадне в централната част на диска на Айри, за да образува видимия образ. Ако коефициентът Strehl е 0.92 - 0.94 , това означава, че огледалото е отлично изработено. Повечето огледала, изработени ръчно от опитни професионалисти попадат в тази категория. Всички подобрения на образа над тази стойност ще бъдат изключително трудно забележими. Може да се гордеете с подобно огледало.

От друга страна много производители и търговци описват своите продукти, като заявяват стойности като „1/10 PV“ или „1/10 от дължината на вълната“, което така заявено всъщност е безполезно и не означава нищо, освен ако не е ясно за какво точно се отнася и по каква методика на изследване е получено. Освен това грешката PV е един много общ показател, може да е получен от измервания на много малко точки от една малка област на огледалото и да не отразява пълната картина на състоянето на повърхнината.

Ето защо коефициентът Strehl (както и свързания с него RMS на вълновия фронт) са най-полезните и всеобхватни показатели, използвани да опишат качествено и количествено състоянието на огледалната повърхнина. Коефициентът Strehl и RMS са получени като резултат от измерванията на хиляди точки по цялата оптична повърхност на огледалото. Също така, освен количествената оценка, интерферометрията „вижда“ и същите оптични аберации, откривани с методите на Фуко и Ронки, като грапавост на повърхнината, зониране, обърнати ръбове, дори драскотини в оптичното покритие. Ето защо един тест с интерферометър, съчетан с качествено изследване по метода на Ронки, правилно интерпретиране на диаграмата на сенките и изчисление на сферичната аберация по метода на Фуко, ще дадат най-добри и достоверни резултати за качеството на всяко огледало.

pic1За да изследва оптичната повърхнина на тестово огледало, класическата интерферометрия използва огледало модел (референтно огледало) с известна точност. Когато тестовия и референтен фронт на вълните се комбинират, те образуват референчни линии, чиято форма е индикация за качеството на изпитваната повърхност. Отличен и много по-евтин вариант на интерферометрия е използването на така наречения „Бат интерферометър“. Разликата от класическия тип е тази, че Бат интерферометърът не използва огледало модел за образуване на интерференция, а разделя фронта на вълната, идващ от източника на светлина и комбинира двата разделени фронта, отразени от тестовото огледало, за да образува интерференчна картина.

Интерференчната картина представлява поредица от тъмни и светли ивици по цялата повърхнина на огледалото. Формата, кривината и разстоянията между тези ивици дават информация за стойността на различни показатели на огледалната повърхнина.

Съществува разработен математичен апарат и софтуер, който прочита интерферограмата и изчислява всички характеристики и показатели на изследваната повърхнина.
Когато изследването е направено от радиуса на кривина (ROC) на огледалото, то разстоянието между ивиците кореспондира на 1/2 от дължината на вълната от повърхността на огледалото. Това е разстояние на молекулярно ниво. И най-малката грешка по повърхнината причинява нарушаване на това разстояние между интерференчните линии, както и изкривяването им. Именно по големината на тези разстояния и по големината на изкривяванията софтуерът изчислява характеристиките на повърхнината, ползвайки математичния апарат и полиномите на Зернике.

Последователността на изследване е следната:

Огледалото се поставя на подходящ стенд, така че да се избегне в максимална степен огъване или други деформации, които биха предизвикали астигматизъм и биха повлияли на резултатите. Това за съжаление е практически невъзможно и астигматизъм винаги се генерира от подпиране на огледалото. Поради тази причина е разработена методика при изследването, чрез която се елиминира изкуствено предизвикания астигматизъм от стенда на огледалото. След поставяне на огледалото върху стенда, се изчаква 15-20 минути за да се разпределят напреженията. Ако е необходимо огледалото да бъде темперирано, например по време на сесия за параболизиране, то трябва да се изчака по-дълго време.

Приблизително на разстояние на радиуса на кривина се поставя Бат интерферометъра и лазерния източник се насочва към центъра на огледалото. Интерферометърът се движи по трите оси, докато се открие точката на фокусиране и докато започне интерференция. Получената интерференчна картина се заснема. След това една от осите на интерферметъра се премества леко, за да се промени интерференчната картина в желаната посока и отново се заснема. Така се правят около десетина заснемания на различни интерферограми.

След това огледалото се завърта на 90 градуса и процедурата се повтаря отново. Това се повтаря за четири положения на огледалото – 0, 90, 180 и 270 градуса. Правят се по около 10-15 заснемания на различни интерференчни картини за всяко положение. Целта на по-големия брой интерферограми е повишаване на точността на крайния резултат. Интерферометърът е много чувствителен уред на вибрации и дори съвсем лека турбуленция във въздуха, които предизвикват малки, но повлияващи резултата промени във формата на интерференчните линии.

След завършване на заснеманията, се извършва компютърна обработка на резултатите.

Резултатите от интерферограмите на всяка сесия се осредняват и се получават четири осреднени резултата на вълновия фронт за четирите положения на огледалото. Всяко от тези четири положения на вълновия фронт се завърта обратно на завъртането на огледалото, така, че четирите варианта на вълновия фронт да бъдат ориентирани по един и същи начин. След това тези четири вълнови фронта се осредняват и се получава един краен осреднен резултат на вълновия фронт. При това завъртане софтуерът открива и елиминира получения от подпиране на огледалото астигматизъм, както и известния астигматизъм, който е присъщ на системата на Бат интерферометъра. След това от този един осреднен вариант на вълновия фронт се пресмятат всички характеритики, коефициенти и профили на изследваната повърхнина.

Освен получените коефициенти и характеристики, като използва получените резултати, софтуерът позволява да се направи симулация на някои други основни методи на изследване. Например може да се получи симулация за диаграмата на сенките на повърхнината по Фуко, може да се симулира изследване на сферичната аберация по метода на Фуко, може да се направи симулация по метода на Ронки, може да се симулира "нул тест", може да се симулира "стар тест" и други.

При изработване и изследване на нашите огледала ползваме винаги няколко метода, като сравняваме резултатите и търсим повторяемост и съвпадения от различните методи, за да сме сигурни в оценката. Още при полиране на огледалото се стараем да получим идеална сферична повърхнина, която контролираме с метода на Ронки и диаграма на сенките на Фуко. При параболизиране на сферичната повърхнина ползваме метода на Фуко по зони за измерване на сферичната аберация и получаване на процента корекция на параболата. Заедно с това следим гладкостта и плавния преход между зоните от диаграмата на сенките по метода на Фуко. Заедно с това при параболизацията ползваме и интерферометрия за по-точно отчитане на сферичната аберация и корекцията на параболата. Софтуерът позволява обратно генериране от интерферограмата на отчетите по зони и получаване на процентната корекция, такава каквато би трябвало да бъде отчетена по метода на Фуко. По този начин можем да сравняваме резултатите по двата метода и да сме сигурни в получените стойности, от две, независими едно от друго места. От симулацията на диаграмата на сенките, такава каквато би трябвало да бъде по метода на Фуко, сравняваме двете картини, получени по двата метода и така сме сигурни още веднъж в получените резултати. На базата на всички тези три метода, които ползваме можем на всеки етап от параболизирането да вземем най-подходящо решение за начина и времетраенето на следващата сесия и да оценим правилно качеството на готовата повърхнина.

След постигане на избраната точност, като краен резултат, извършваме едно пълно изследване с интерферометър по начина, описан по-горе. Така получаваме окончателния резултат и издаваме сертификат за качество на огледалото.

 

Изображения от симулации на различни видове тестове на изработено от нас огледало с диаметър D=355мм

Тест 1
Тест 2
Тест 3
Тест 4
Тест 5
Тест 6
Тест 7
Тест 8
Тест 9