СПОСОБ ЮСТИРОВКИ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫХ ЦЕНТРИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2009 года по МПК G01B11/27 G02B27/62 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в оптическом производстве при сборке и юстировке двухзеркальных центрированных оптических систем, содержащих компоненты как со сферическими, так и асферическими зеркальными поверхностями, в том числе и с внеосевыми.

Известен способ юстировки двухзеркальных систем телескопов, основанный на использовании двух точечных источников света и трех вспомогательных зеркал - одного плоского и двух сферических - для получения автоколлимационных изображений точечных источников света [Н.Н.Михельсон. Оптические телескопы. Теория и конструкция. - М: Наука, 1976. - С.471-472]. Одно из сферических зеркал выполняется в виде сферической фаски, окружающей центральное отверстие первичного (главного) зеркала юстируемой системы. Центр кривизны сферической поверхности фаски находится на оси симметрии первичного зеркала, а радиус кривизны равен расстоянию между вершинами зеркал юстируемой системы. Второе сферическое зеркало изготавливается в виде съемного оптического элемента. В процессе юстировки один из точечных источников света устанавливают в вершине вторичного зеркала системы, для чего в нерабочей центральной зоне вторичного зеркала делают отверстие. Пучок лучей света, вышедший из точечного источника, засвечивает сферическую фаску, которая формирует изображение источника света; наклоном первичного зеркала добиваются совпадения изображения с самим источником света, т.е. получают автоколлимационное изображение точечного источника света. В этом случае ось симметрии первичного зеркала будет проходить через вершину вторичного зеркала. Для юстировки вторичного зеркала со стороны его вершины устанавливают плоское зеркало перпендикулярно оси симметрии вторичного зеркала и жестко скрепляют с этим зеркалом. Второй точечный источник света и второе вогнутое сферическое зеркало устанавливают на краю первичного зеркала системы в диаметрально противоположных точках. Радиус кривизны второго сферического зеркала равен сумме расстояний от этого сферического зеркала до плоского и от плоского зеркала до второго точечного источника света. Второе сферическое зеркало должно быть предварительно выставлено так, чтобы в центрированной системе его центр кривизны совпадал со вторым точечным источником света. При юстировке выпуклого вторичного зеркала системы его наклоняют и получают автоколлимационное изображение второго точечного источника света. Существенным недостатком этого способа является низкая точность юстировки. Это обусловлено тем, что трудно выполнить условие выведения центра кривизны сферической фаски на ось симметрии первичного зеркала при технологическом процессе их формообразования. Кроме того, погрешности возникают из-за неточности установки первого источника света в вершину вторичного зеркала системы, неточности выставления вспомогательного плоского зеркала перпендикулярно оси симметрии вторичного зеркала системы, а также из-за неточности ориентации второго вспомогательного сферического зеркала.

Таким образом, рассмотренный способ не обеспечивает высокую точность юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются два способа взаимной юстировки зеркал в двухзеркальных телескопах путем формирования автоколлимационных изображений точечного источника света, расположенного на оптической оси системы, посредством введения соосно располагаемых вспомогательных оптических элементов [Михельсон Н.Н. Взаимная выверка зеркал в двухзеркальных телескопах. Оптический журнал, 1996, №3, с.66-68]. Один из способов применим для юстировки только телескопа системы Кассегрена. В нем вспомогательными оптическими элементами являются зеркальная сферическая лунка, нанесенная в центральной зоне вторичного (гиперболического) зеркала, с центром кривизны в фокусе F_э' телескопа, и зеркальная сферическая фаска, нанесенная вокруг центрального отверстия главного (параболического) зеркала, с центром кривизны в фокусе F′ главного зеркала телескопа. Очевидно, что в идеальном случае центр кривизны сферической лунки должен находиться на оси симметрии вторичного (гиперболического) зеркала, а центр кривизны сферической фаски - на оси симметрии главного параболического зеркала. При помещении в фокус F_э' телескопа точечного источника света в центрированной системе его изображение, полученное отражением лучей от вторичного зеркала, сферической фаски и вновь от вторичного зеркала, совпадает с точечным источником света. Изображение точечного источника света, построенное сферической лункой, для центрированной системы также совпадает с самим источником света. Если система децентрирована, то будут получены два изображения источника света. Следовательно, при юстировке системы необходимо сначала наклонами вторичного зеркала совместить изображение источника света, сформированное лункой, с самим источником света, а затем наклонами главного зеркала совместить изображение источника света, построенное при отражении лучей на вторичном зеркале, фаске и снова на вторичном зеркале, с самим источником света.

Недостатком этого способа является невысокая точность юстировки, обусловленная тем, что в ходе изготовления вторичного зеркала со сферической лункой и главного зеркала со сферической фаской неизбежны погрешности: центр кривизны лунки может не лежать на оси симметрии вторичного зеркала, а центр кривизны фаски - на оси симметрии главного зеркала. Эти погрешности неизбежно приведут к снижению качества изображения точки, а следовательно, и к снижению разрешающей способности оптической системы телескопа.

Второй способ применим для юстировки как систем Кассегрена, так и систем Ричи-Кретьена. В нем вспомогательными оптическими элементами являются сферическая лунка, нанесенная в центральной зоне вторичного зеркала, с центром кривизны в фокусе F_э' телескопа, и плоское зеркало с кольцевой апертурой, окружающее вторичное зеркало со стороны его наружного диаметра и жестко скрепленное с этим зеркалом. Очевидно, что плоское кольцевое зеркало должно быть перпендикулярно оси симметрии вторичного зеркала, а центр кривизны лунки должен находиться на этой оси. В этом случае при помещении точечного источника света в фокус F_э' центрированной системы телескопа сферической лункой сформируется его изображение (автоколлимационное), совпадающее с самим источником света. Точно так же сформируется второе изображение (автоколлимационное) источника света, совпадающее с ним, при последовательном отражении лучей точечного источника света от вторичного зеркала, главного зеркала, плоского кольцевого зеркала и снова в обратном ходе лучей от главного и вторичного зеркал системы. По совпадению с точечным источником света двух его автоколлимационных изображений судят о том, что система является отъюстированной.

Недостатком этого способа является невысокая точность юстировки, обусловленная тем, что в ходе изготовления вторичного зеркала со сферической лункой и плоским кольцевым зеркалом неизбежны погрешности: центр кривизны лунки может не лежать на оси симметрии вторичного зеркала и эта ось может не совпадать с нормалью к плоскому кольцевому зеркалу. Хотя обе погрешности могут быть измерены и учтены при астрономических измерениях, однако качество изображения точки будет все же несовершенным, что снизит разрешающую способность, а следовательно, и эффективность телескопа. Кроме указанных недостатков оба способа не обеспечивают юстировку двухзеркальных систем с отражающими асферическими поверхностями более высокого порядка, чем конические поверхности, а также двухзеркальных систем с внеосевыми асферическими зеркалами.

Задачей, для решения которой предназначено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности и точности юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем и расширение их диапазона за счет надежности и точности совмещения осей симметрии зеркальных поверхностей, как второго, так и более высоких порядков, в том числе и внеосевых зеркал, а также высокой точности установки воздушного промежутка между вершинами зеркальных поверхностей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем путем формирования автоколлимационных изображений точечного источника света, расположенного на оптической оси системы, посредством введения соосно располагаемых вспомогательных оптических элементов формируются автоколлимационные изображения монохроматического точечного источника света посредством трех вспомогательных осевых синтезированных голограмм, выполненных соосно на общей подложке и расположенных между зеркальными элементами юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, одна из синтезированных голограмм является отражательной и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света, установленного перед подложкой с синтезированными голограммами со стороны первого зеркального элемента юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, вторая голограмма является пропускающей и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света совместно со вторым зеркальным элементом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, третья голограмма является отражательной и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света совместно с первым зеркальным элементом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, причем распределение радиусов ρ границ кольцевых зон в структурах этих голограмм определяется условиями:

для первой голограммы - ;

для второй голограммы -

для третьей голограммы - ;

где m - номер кольцевой зоны в структуре синтезированной голограммы;

Δl_1,m - разность хода между осевым лучом и лучами, соответствующими границам зон в структуре первой голограммы, от монохроматического точечного источника света до подложки голограмм;

Δl_3,m и Δl_2,m - разность хода между осевым лучом и лучами, соответствующими границам зон в структурах третьей и второй голограмм, от монохроматического точечного источника света соответственно до первого и второго зеркальных элементов юстируемой двухзеркальной оптической системы;

y₅(x) и y₆(x) - функции, определяющие форму профиля отражающих поверхностей соответственно первого и второго зеркальных элементов юстируемой двухзеркальной оптической системы;

d - толщина подложки синтезированных голограмм;

n - показатель преломления материала подложки синтезированных голограмм;

а и d₁ - расстояние от передней рабочей поверхности подложки синтезированных голограмм до монохроматического точечного источника света и до вершины отражающей поверхности первого зеркального элемента соответственно;

d₂ - расстояние от задней поверхности подложки синтезированных голограмм до вершины отражающей поверхности второго зеркального элемента;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света;

Q - скважность структуры синтезированных голограмм.

При этом вид зависимости Δl_1,m от ρ и а для первой голограммы может быть получен на основании математических выражений, приведенных в SU 729437 А, 25.04.1980, для расчета рассматриваемых в данном источнике информации голограмм 2 и 5.

Вид зависимости Δl_2,m от ρ, y₆(х), a, d, n, d₂ для второй голограммы и зависимости Δl_3,m от ρ, y₅(x), a, d₁ для третьей голограммы может быть получен на основании математических выражений, приведенных в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ларионова Н.П. (см. Ларионов Н.П. Методы и средства контроля формы асферических поверхностей крупногабаритных и светосильных оптических элементов на основе использования осевых синтезированных голограмм. Казань, 2002, с.40-45, 81-83).

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем.

Устройство для юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем состоит из монохроматического точечного источника света А и трех осевых синтезированных голограмм 1, 2 и 3. Голограммы изготовлены соосно с общим центром симметрии О на одной рабочей поверхности подложки 4 и обращены своими структурами к источнику света А.

Первое зеркало 5 юстируемой двухзеркальной оптической системы устанавливают перед подложкой 4 с синтезированными голограммами 1, 2 и 3 со стороны источника света А. Второе зеркало 6 юстируемой двухзеркальной оптической системы устанавливают за подложкой 4 с синтезированными голограммами 1, 2 и 3.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение монохроматического точечного источника света А падает на голограмму 1, которая формирует автоколлимационное изображение A₁' источника света А, задавая тем самым оптическую ось АО для юстируемой оптической системы и позволяя таким образом установить подложку 4 с синтезированными голограммами 1, 2 и 3 на расчетном расстоянии а от точки А, выбранном при синтезе этих голограмм. Голограмма 3 служит для юстировки зеркала 5; при освещении ее из той же точки А она формирует пучок лучей, каждый луч которого распространяется по направлению соответствующей ему нормали поверхности зеркала 5. Зеркало 5 перемещают в продольном (вдоль оптической оси) и двух взаимно перпендикулярных к оптической оси (поперечных) направлениях и поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, ориентированных параллельно направлениям поперечных смещений и проходящих через вершину O₁ поверхности зеркала 5, обеспечивая автоколлимационный ход лучей при отражении их от поверхности зеркала 5 и дифракции на голограмме 3, и тем самым формируют автоколлимационное изображение А₃′ источника света А. В результате проведенной операции вершина O₁ поверхности зеркала 5 выводится на оптическую ось АО на расчетном расстоянии d₁ от центра симметрии О синтезированных голограмм, а ось симметрии поверхности зеркала 5 ориентируется вдоль оптической оси АО, совмещаясь с ней. Расстояние d₁ задается при синтезе голограммы 3 с учетом отрезка а и функции y₅(х), описывающей профиль поверхности зеркала 5. Голограмма 2 служит для юстировки зеркала 6. При освещении ее точечным источником света А она формирует пучок лучей, каждый луч которого распространяется по направлению соответствующей ему нормали поверхности зеркала 6, которое перемещают в продольном (вдоль оптической оси) и двух взаимно перпендикулярных к оптической оси (поперечных) направлениях и поворачивают вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, ориентированных параллельно направлениям поперечных смещений и проходящих через вершину О₂ поверхности зеркала 6, обеспечивая автоколлимационный ход лучей при отражении их от поверхности зеркала 6 и дифракции на голограмме 2, и тем самым формируют автоколлимационное изображение А₂′ источника света А. В результате этого вершина O₂ поверхности зеркала 6 выводится на оптическую ось АО на расчетном расстоянии d₂ от задней стороны подложки 4 синтезированных голограмм, а ось симметрии поверхности зеркала 6 ориентируется вдоль оптической оси АО, совмещаясь с ней. Расстояние d₂ задается при синтезе голограммы 2 с учетом отрезка а, толщины d и показателя преломления n материала подложки 4, а также функции y₆(х), описывающей профиль поверхности зеркала 6. При этом соблюдается условие, чтобы сумма отрезков d, d₁ и d₂ равнялась заданному расстоянию между вершинами O₁ и O₂ поверхностей зеркал 5 и 6 в исходной двухзеркальной центрированной оптической системе.

Синтезированные голограммы 2 и 3 могут быть рассчитаны и изготовлены для осесимметричных поверхностей, как второго, так и более высоких порядков; благодаря этому обстоятельству расширяется диапазон двухзеркальных оптических систем, которые возможно юстировать предлагаемым способом, а это может способствовать созданию совершенно новых оптических систем с требуемыми характеристиками. Кроме того, этот диапазон расширяется еще и в связи с тем, что предлагаемый способ в отличие от известных может быть применен для юстировки оптических систем и с внеосевыми зеркалами. В этом случае синтезированные голограммы также изготавливаются соосно на одной подложке, однако в процессе юстировки на апертуре каждой голограммы будет работать тот участок, который соответствует внеосевому элементу на исходной (базовой) асферической поверхности. Осуществить это в предлагаемом способе в отличие от известных значительно легче, так как синтезированные голограммы изготавливаются соосно на одной подложке, не связанной жестко с юстируемыми зеркалами оптической системы.

Юстировка двухзеркальных центрированных оптических систем данным способом осуществляется надежнее и точнее, чем известными способами. Это обусловлено тем, что синтезированные голограммы изготавливаются соосно на одной подложке за один прием, что гарантирует совпадение их осей симметрии до долей микрометра. При этом одна из голограмм - автоколлимационная - в процессе юстировки задает оптическую ось юстируемой оптической системы, так как построенное ею автоколлимационное изображение A₁′ находится на ее оси симметрии, совпадающей с оптической осью всей системы, что следует из принятых условий расчета голограммы. Получение автоколлимационных изображений точечного источника света посредством двух других голограмм и соответствующих им зеркал также свидетельствует о том, что оси симметрии поверхностей зеркал оптической системы совпадают с осями симметрии голограмм, а следовательно, и с оптической осью всей системы. Возможность одновременного наблюдения всех трех автоколлимационных изображений точечного источника света гарантирует высокую надежность и точность совмещения осей симметрии юстируемых зеркал оптической системы. Установление воздушного промежутка между их вершинами также обеспечивается с высокой точностью благодаря высокой точности установления отрезков a, d₁ и d₂ посредством синтезированных голограмм. Это обуславливается выбором соответствующих угловых апертур синтезированных голограмм на стадии их синтеза.

Таким образом, предлагаемый способ юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем обеспечивает высокую надежность и точность юстировки, а также расширяет диапазон юстируемых оптических систем по сравнению с известными способами.

Способ включает формирование автоколлимационных изображений монохроматического точечного источника света, расположенного на оптической оси системы, посредством трех вспомогательных осевых синтезированных голограмм, выполненных соосно на общей подложке и расположенных между зеркальными элементами юстируемой системы. Источник света установлен перед подложкой с голограммами со стороны первого зеркального элемента. Первая голограмма является отражательной и формирует автоколлимационное изображение источника света. Вторая голограмма - пропускающая и формирует автоколлимационное изображение источника света совместно со вторым зеркальным элементом. Третья голограмма - отражательная и формирует автоколлимационное изображение источника света совместно с первым зеркальным элементом. Распределение радиусов границ кольцевых зон в структурах этих голограмм определяется условиями, указанными в формуле изобретения. Технический результат - повышение надежности и точности юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем и расширение их диапазона за счет надежности и точности совмещения осей симметрии зеркальных поверхностей как второго, так и более высоких порядков, в том числе и внеосевых зеркал, а также высокой точности установки воздушного промежутка между вершинами зеркальных поверхностей. 1 ил.

Способ юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем путем формирования автоколлимационных изображений точечного источника света, расположенного на оптической оси системы, посредством введения соосно располагаемых вспомогательных оптических элементов, отличающийся тем, что формируются автоколлимационные изображения монохроматического точечного источника света посредством трех вспомогательных осевых синтезированных голограмм, выполненных соосно на общей подложке и расположенных между зеркальными элементами юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, одна из синтезированных голограмм является отражательной и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света, установленного перед подложкой с синтезированными голограммами со стороны первого зеркального элемента юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, вторая голограмма является пропускающей и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света совместно со вторым зеркальным элементом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, третья голограмма является отражательной и формирует автоколлимационное изображение монохроматического точечного источника света совместно с первым зеркальным элементом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, причем распределение радиусов р границ кольцевых зон в структурах этих голограмм определяется условиями:
для первой голограммы -
для второй голограммы -
для третьей голограммы -
где m - номер кольцевой зоны в структуре синтезированной голограммы;
Δl_1,m - разность хода между осевым лучом и лучами, соответствующими границам зон в структуре первой голограммы, от монохроматического точечного источника света до подложки голограмм;
Δl_3,m и Δl_2,m - разность хода между осевым лучом и лучами, соответствующими границам зон в структурах третьей и второй голограмм, от монохроматического точечного источника света, соответственно, до первого и второго зеркальных элементов юстируемой двухзеркальной оптической системы;
y₅(х) и y₆(х) - функции, определяющие форму профиля отражающих поверхностей, соответственно, первого и второго зеркальных элементов юстируемой двухзеркальной оптической системы;
d - толщина подложки синтезированных голограмм;
n - показатель преломления материала подложки синтезированных голограмм;
а и d₁ - расстояние от передней рабочей поверхности подложки синтезированных голограмм до монохроматического точечного источника света и до вершины отражающей поверхности первого зеркального элемента соответственно;
d₂ - расстояние от задней поверхности подложки синтезированных голограмм до вершины отражающей поверхности второго зеркального элемента;
λ - длина волны излучения монохроматического источника света;
Q - скважность структуры синтезированных голограмм.