УСТРОЙСТВО ЮСТИРОВКИ ДВУХЗЕРКАЛЬНОЙ ЦЕНТРИРОВАННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2012 года по МПК G01B11/27 G02B27/62 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при юстировке двухзеркальных центрированных оптических систем, в том числе систем телескопов Кассегрена и Ричи-Кретьена, как в процессе сборки и юстировки в цеховых условиях, так и в процессе их эксплуатации в условиях обсерваторий наземного и космического базирования.

Известно устройство юстировки оптических систем двухзеркальных телескопов, содержащее точечный источник света в виде светящейся марки, расположенной на оптической оси юстируемой системы, и соосно располагаемые вспомогательные оптические элементы [Михельсон Н.Н. Взаимная выверка зеркал в двухзеркальных телескопах // Оптический журнал. 1996. №3. С.66-68], которое может быть применимо для юстировки оптических систем как телескопа Кассегрена, так и телескопа Ричи-Кретьена. В нем вспомогательными оптическими элементами являются сферическая лунка, нанесенная в центральной зоне отражающей поверхности вторичного зеркала, с центром кривизны в эквивалентном фокусе F_э' телескопа, и плоское зеркало с кольцевой апертурой («воротник»), окружающее вторичное зеркало со стороны его наружного диаметра и жестко скрепленное с этим зеркалом; при этом отражающая поверхность плоского зеркала обращена к отражающей поверхности главного зеркала телескопа. Очевидно, что плоское кольцевое зеркало должно быть перпендикулярно оптической оси вторичного зеркала, а центр кривизны лунки должен находиться на этой оси. В этом случае при помещении точечного источника света в эквивалентный фокус F_э' центрированной системы телескопа сферической лункой сформируется его автоколлимационное изображение. Точно так же сформируется второе автоколлимационное изображение точечного источника света, при последовательном отражении его лучей от отражающей поверхности вторичного зеркала, соответствующей зоны отражающей поверхности главного зеркала, от отражающей поверхности плоского кольцевого зеркала (от «воротника») и снова в обратном ходе лучей от отражающих поверхностей главного и вторичного зеркал системы. При совпадении с точечным источником света двух его автоколлимационных изображений оптическая система телескопа считается отъюстированной.

Недостатком этого устройства является невысокая надежность юстировки, обусловленная тем, что в ходе изготовления вторичного зеркала со сферической лункой и плоским кольцевым зеркалом («воротником») неизбежны погрешности: центр кривизны лунки может не лежать на оптической оси вторичного зеркала, и эта ось может не быть параллельной нормали к плоскому кольцевому зеркалу («воротнику»). Вследствие этого неизбежно снизится разрешающая способность телескопа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем [Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А. Юстировка двухзеркальных центрированных оптических систем с использованием синтезированных голограммных оптических элементов // Оптический журнал. 2010. Т.77. №6. С.14-18].

Это устройство содержит монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу световых лучей коллиматор, светоделитель для формирования опорной и рабочей ветвей, в рабочей ветви установлены фокусирующий объектив для формирования точечного источника света, синтезированный голограммный оптический элемент, состоящий из трех юстировочных, соосных между собой, синтезированных голограмм, из которых две являются отражательными, при этом одна из них формирует автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно, а другая - совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала, в опорной ветви перпендикулярно к лучам, распространяющимся от светоделителя, установлено плоское опорное зеркало, в регистрирующей части установлены второй фокусирующий объектив и позиционно чувствительное фотоприемное устройство с выходом на блок отображения и обработки информации.

Недостатками данного устройства являются невысокая надежность и оперативность юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем, состоящих из главного и вторичного зеркал, а также ограничение возможности периодического контроля юстировки этих систем в штатном режиме в условиях обсерваторий главным образом из-за значительных массогабаритных характеристик подложки синтезированного голограммного оптического элемента.

Задачей, для решения которой предназначено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности и оперативности контроля юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем при их сборке и юстировке, а также в штатном режиме, в процессе их эксплуатации в условиях обсерваторий, за счет совмещения оптических осей голограмм с осью юстируемого вторичного зеркала, уменьшения числа элементов в оптической схеме устройства юстировки и сокращения числа контролируемых отрезков до одного - расстояния между вершинами отражающих поверхностей главного и вторичного зеркал.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом устройстве юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы, состоящей из главного и вторичного зеркал, содержащем монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу лучей коллиматор, светоделитель для формирования опорной и рабочей ветвей, установленные в рабочей ветви фокусирующий объектив для формирования точечного источника света, две осевые соосные между собой отражательные юстировочные синтезированные голограммы, одна из которых формирует автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно, а другая - совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала, плоское опорное зеркало, установленное в опорной ветви перпендикулярно к световым лучам, распространяющимся от светоделителя, в регистрирующей части установлены второй фокусирующий объектив, позиционно чувствительное фотоприемное устройство с выходом на блок отображения и обработки информации, обе юстировочные синтезированные голограммы выполнены на отражающей поверхности вторичного зеркала, преимущественно в его краевой зоне, общая оптическая ось осевых юстировочных синтезированных голограмм совмещена с оптической осью вторичного зеркала, при этом в центральном отверстии главного зеркала установлена диафрагма с отверстием, центр которого совмещен с вершиной отражающей поверхности главного зеркала и задним фокусом фокусирующего объектива;

а также тем, что светоделитель выполнен в виде призмы-куба, а плоское опорное зеркало выполнено в виде поверхности грани призмы-куба с нанесенным на нее отражающим покрытием со стороны опорной ветви;

а также тем, что отверстие диафрагмы выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия

⌀≥2.44f'λ/D,

где ⌀ - диаметр круглого отверстия диафрагмы;

D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света;

а также тем, что распределение радиусов ρ середин кольцевых зон в структурах юстировочных синтезированных голограмм определяется условиями:

Δl_1,m[ρ(x-d),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно,

Δl_2,m[ρ(x-d),y₁(x),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала,

где m - номер кольцевой зоны юстировочной синтезированной голограммы;

Δl_1,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно;

Δl_2,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала;

y₁(x) и y₂(x-d) - функции, определяющие форму профиля отражающих поверхностей соответственно главного и вторичного зеркал в декартовой системе координат Oxy с началом в вершине О₁ отражающей поверхности главного зеркала и осью Ox, совмещенной с оптической осью двухзеркальной центрированной оптической системы;

d - расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности главного зеркала;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света;

а также тем, что каждая из двух юстировочных синтезированных голограмм выполнена в виде пары диаметрально противоположных частей соответствующих круговых колец, причем эти пары развернуты друг относительно друга под определенным углом, например 90 градусов.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема предложенного устройства юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы.

На фиг.2 изображена апертура вторичного зеркала юстируемой двухзеркальной системы с расположенными в ее краевой зоне апертурами осевых юстировочных соосных между собой и отражающей поверхностью вторичного зеркала отражательных синтезированных голограмм в виде круговых колец.

На фиг.3 изображена апертура вторичного зеркала юстируемой двухзеркальной системы с расположенными в ее краевой зоне апертурами юстировочных отражательных синтезированных голограмм в виде пары диаметрально противоположных частей соответствующих им круговых колец осевых синтезированных голограмм, соосных между собой и отражающей поверхностью вторичного зеркала.

На фиг.4 и фиг.5 представлены результаты экспериментального макетирования предложенного устройства юстировки.

На фиг.6 и фиг.7 приведены частотные характеристики юстировочных голограмм для вторичного (фиг.6) и главного (фиг.7) зеркал телескопа Т-170М.

Предлагаемое устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы содержит монохроматический (лазерный) источник света 1, коллиматор 2, светоделитель 3 в виде призмы-куба с полупрозрачным слоем 4, разделяющим падающий на него пучок лучей на две части, одна из которых (отраженная от полупрозрачного слоя 4) поступает в опорную ветвь, а другая (прошедшая полупрозрачный слой 4) - в рабочую ветвь устройства. В опорной ветви перпендикулярно к лучам, распространяющимся от полупрозрачного слоя 4 светоделителя 3, установлено опорное плоское зеркало 5, которое выполнено в виде поверхности грани призмы-куба 3 с нанесенным на нее отражающим покрытием со стороны опорной ветви. В рабочей ветви по ходу лучей последовательно установлены фокусирующий объектив 6 для формирования точечного источника света, диафрагма 7 с отверстием, плоскость 8 которой совмещена с задней фокальной плоскостью объектива 6, юстируемое вторичное зеркало 9 двухзеркальной системы, в краевой зоне отражающей поверхности которого соосно с ней расположены юстировочные осевые отражательные синтезированные голограммы 10 и 11, и юстируемое главное зеркало 12 двухзеркальной системы. При этом диафрагма 7 установлена в центральном отверстии главного зеркала 12 так, что центр отверстия диафрагмы 7 совмещен с вершиной О₁ отражающей поверхности главного зеркала 12 и задним фокусом фокусирующего объектива 6. В регистрирующей части установлены второй фокусирующий объектив 13, позиционно чувствительное фотоприемное устройство 14, к выходу которого подключен блок отображения и обработки информации 15. При этом задняя фокальная плоскость объектива 13 совмещена со светочувствительной поверхностью 16 позиционно чувствительного фотоприемного устройства 14.

Отверстие диафрагмы 7 может быть выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия

⌀≥2.44f'λ/D,

где ⌀ - диаметр круглого отверстия диафрагмы;

D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива 6;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света 1.

Каждая из двух юстировочных синтезированных голограмм 10 и 11 может быть выполнена в виде пары диаметрально противоположных частей соответствующих круговых колец, причем эти пары развернуты друг относительно друга под определенным углом, например 90 градусов (фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок лучей от источника монохроматического излучения 1 поступает в коллиматор 2 и преобразуется им в расширенный параллельный пучок световых лучей, который поступает в светоделительную призму-куб 3, где частично проходит полупрозрачный слой 4 и частично отражается им. Отраженная часть пучка световых лучей поступает в опорную ветвь, падает на плоскую зеркальную поверхность 5 призмы-куба 3, ориентированную перпендикулярно к световым лучам этого пучка, отражается от нее и в автоколлимационном ходе частично отражается от полупрозрачного слоя 4 и частично проходит его. Отраженная часть опорного пучка световых лучей проходит в обратном направлении коллиматор 2 и падает в отверстие выходного окна источника света 1, а прошедшая полупрозрачный слой 4 часть опорного пучка поступает в регистрирующую часть и фокусируется вторым фокусирующим объективом 13 в точку А₀, которая расположена на светочувствительной поверхности 16 позиционно чувствительного фотоприемного устройства 14 благодаря совмещению этого слоя 16 с задней фокальной плоскостью объектива 13. Изображение этой точки выводится на экран блока отображения и обработки информации 15 (в центре экрана, фиг.1). Она играет роль визирной точки при выполнении процесса юстировки зеркал 9 и 12 двухзеркальной системы.

В рабочую ветвь устройства юстировки поступает прошедшая полупрозрачный слой 4 часть пучка световых лучей, вышедшего из коллиматора 2, которая затем проходит фокусирующий объектив 6, преобразуясь им в сходящийся гомоцентрический пучок лучей с центром в заднем фокусе этого объектива («светящаяся» точка), проходит диафрагму 7, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом объектива 6, и расходящимся гомоцентрическим пучком световых лучей падает на отражающую поверхность вторичного зеркала 9. При этом задняя фокальная плоскость объектива 6 совмещена с рабочей плоскостью 8 диафрагмы 7, обращенной к вторичному зеркалу 9. Расходящийся гомоцентрический пучок световых лучей дифрагирует на осевых синтезированных голограммах 10 и 11. Световые лучи, дифрагированные на синтезированной голограмме 10, в обратном направлении в рабочем порядке дифракции сходятся в точку в центре отверстия диафрагмы 7, образуя автоколлимационное изображение «светящейся» точки, сформированной фокусирующим объективом 6. Далее сформированный голограммой 10 пучок световых лучей проходит в обратном направлении фокусирующий объектив 6, преобразуясь при этом в параллельный пучок лучей, часть которого отражается от полупрозрачного слоя 4 и фокусируется вторым фокусирующим объективом 13 в точку A₁₀ на светочувствительной поверхности 16 позиционно чувствительного фотоприемного устройства 14. Изображение этой точки выводится на экран блока отображения и обработки информации 15. В ее формировании участвует только вторичное зеркало 9. Размер изображения точки на экране блока 15 зависит от отклонения от расчетного значения расстояния от заднего фокуса объектива 6 до вершины О₂ отражающей поверхности вторичного зеркала 9, а ее отклонение от изображения визирной точки А₀ в поперечном направлении - от децентрировки вторичного зеркала 9. На отражающую поверхность вторичного зеркала 9 юстировочная голограмма 10 наносится в виде кругового кольца в краевой зоне отражающей поверхности этого зеркала (см. фиг.2, поз.10).

Дифрагированный на юстировочной голограмме 11 световой пучок распространяется к главному зеркалу 12 юстируемой системы, образуя конгруэнцию дифрагированных световых лучей, совпадающую с расчетной конгруэнцией нормалей к той части отражающей поверхности главного зеркала 12, на которую падает этот пучок световых лучей. Поэтому на этой части отражающей поверхности главного зеркала 12 происходит автоколлимационное отражение указанного пучка световых лучей, который в обратном ходе падает на голограмму 11 и преобразуется ею (в рабочем порядке дифракции) снова в конгруэнцию дифрагированных лучей - на этот раз сходящихся в точку в центре отверстия диафрагмы 7. Далее этот пучок световых лучей проходит в обратном направлении объектив 6, преобразуясь им в параллельный пучок, который отражается от полупрозрачного слоя 4 и фокусируется объективом 13 в точку А₁₁ на светочувствительной поверхности 16 позиционно чувствительного фотоприемного устройства 14. Изображение этой точки формируется на экране блока 15. По размеру изображения точки А₁₁ оценивают отклонение от расчетного значения расстояния между вершинами отражающих поверхностей главного 12 и вторичного 9 зеркал, а по поперечному смещению относительно изображения визирной точки А₀ - суммарную величину децентрировки вторичного зеркала 9 и главного зеркала 12. Юстировочная синтезированная голограмма 11 при освещении ее гомоцентрическим пучком световых лучей формирует (в рабочем порядке дифракции) конгруэнцию дифрагированных лучей, совпадающую с конгруэнцией нормалей той части отражающей поверхности главного зеркала 12, на которую он падает. Ее структура наносится в виде кругового кольца (круговой кольцевой апертуры) в краевой зоне отражающей поверхности вторичного зеркала 9 (см. фиг.2, поз.11), соосно со структурой голограммы 10.

Структуры кольцевых апертур у осевых голограмм 10 и 11 состоят из кольцевых зон. Распределение радиусов ρ середин кольцевых зон в этих структурах определяется условиями:

Δl_1,m[ρ(x-d),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы 10,

Δl_2,m[ρ(x-d),y₁(x),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы 11,

где m - номер кольцевой зоны юстировочной синтезированной голограммы;

Δl_1,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы 10;

Δl_2,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы 11;

y₁(x) и y₂(x-d) - функции, определяющие форму профиля отражающих поверхностей соответственно главного 12 и вторичного 9 зеркал в декартовой системе координат Oxy с началом в вершине О₁ отражающей поверхности главного зеркала 12 и осью Ox, совмещенной с оптической осью двухзеркальной центрированной оптической системы;

d - расстояние от вершины О₂ отражающей поверхности вторичного зеркала 9 до вершины О₁ отражающей поверхности главного зеркала 12;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света 1.

При проведении юстировки зеркал 9 и 12 двухзеркальной системы выполняют следующие операции.

Сначала создают и настраивают единый блок из элементов 1, 2, 3, 6, 13, 14 и 15, в котором ориентируют призму-куб 3 так, чтобы пучок параллельных лучей, вышедший из коллиматора 2 и отраженный полупрозрачным слоем 4 призмы-куба 3, падал перпендикулярно на плоское опорное зеркало 5 (грань призмы-куба 3). Это контролируют по следу светового пятна на выходном окне лазерного источника света 1, образованного отраженным от зеркала 5 пучком световых лучей. Поворотами призмы-куба 3 направляют его в отверстие выходного окна источника света 1. Затем совмещают светочувствительную поверхность 16 позиционно чувствительного фотоприемного устройства 14 с задней фокальной плоскостью второго фокусирующего объектива 13, получая наименьший кружок рассеяния - контролируется изображение визирной точки А₀ на экране блока отображения и обработки информации 15. Фокусирующий объектив 6 выбирают таким, чтобы выполнялось условие

f'/D≤d/D_вз,

где D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива 6;

d - расстояние от вершины О₂ отражающей поверхности вторичного зеркала 9 до вершины О₁ отражающей поверхности главного зеркала 12;

D_вз - диаметр вторичного зеркала 9.

Затем в центральное отверстие главного зеркала 12 помещают диафрагму 7. Рабочая плоскость 8 диафрагмы 7 будет касательной к отражающей поверхности главного зеркала 12 в ее вершине O₁. Центр отверстия диафрагмы 7 совмещают с вершиной O₁ отражающей поверхности главного зеркала 12. Диаметр круглого отверстия либо минимальный линейный размер отверстия некруглой формы диафрагмы 7 практически выбирается из условия

⌀≥2.44f'λ/D,

где ⌀ - диаметр круглого отверстия или минимальный линейный размер отверстия некруглой формы диафрагмы 7;

D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива 6;

λ - длина волны излучения монохроматического источника света 1. Далее ориентируют единый блок, содержащий элементы 1, 2, 3, 6, 13, 14 и 15 относительно вторичного зеркала 9 юстируемой системы. Для этого его устанавливают с тыльной стороны главного зеркала 12 и продольными и поперечными юстировочными подвижками совмещают задний фокус объектива 6 с центром отверстия в диафрагме 7 и проверяют засветку вторичного зеркала 9 пучком расходящихся из заднего фокуса объектива 6 световых лучей. Угловыми подвижками единого блока добиваются, чтобы апертура вторичного зеркала 9 освещалась осесимметрично световому пучку, падающему на него. Затем при необходимости продольными и поперечными юстировочными подвижками единого блока производят тонкую подъюстировку для точного совмещения заднего фокуса объектива 6 с рабочей плоскостью 8 диафрагмы 7 и с центром ее отверстия.

После проведения указанных юстировочных операций при отсутствии одного или обоих изображений автоколлимационных точек А₁₀ и А₁₁ небольшими поперечными и угловыми подвижками вторичного зеркала 9 выводят на экран блока 15 отсутствующие автоколлимационные изображения и смещением вторичного зеркала 9 вдоль оптической оси получают наименьшие кружки рассеяния автоколлимационных изображений А₁₀ и А₁₁ и совмещают их подвижками вторичного зеркала 9 с изображением визирной точки А₀. В результате вторичное зеркало 9 будет установлено на расчетном расстоянии d от заднего фокуса объектива 6 и соответственно от вершины О₁ отражающей поверхности главного зеркала 12. При этом оптические оси главного 12 и вторичного 9 зеркал будут совмещены.

Для упрощения процесса юстировки и уменьшения «нерабочей» зоны на отражающей поверхности вторичного зеркала 9, занимаемой юстировочными голограммами 10 и 11, целесообразно их выполнить в виде малой части диаметрально противоположных соответствующих кольцевых зон. При этом появляется возможность отображать эти части (апертуры голограмм) в границах одной кольцевой зоны, что позволит значительно уменьшить занимаемую ими площадь на отражающей поверхности вторичного зеркала 9 (см. фиг.3). Апертуры голограмм 10 и 11 могут быть выполнены различной формы, например круглой или квадратной. При этом для одной голограммы они могут быть выполнены круглыми, а для другой - квадратными. Это позволит быстро и надежно определить, к какой из двух голограмм относятся изображения точек на экране блока 15, и оценить направление и величину поворотов и смещений вторичного зеркала 9 при юстировке двухзеркальной системы в целом. Данная особенность значительно повышает надежность и оперативность юстировки предложенным устройством.

Поскольку в процессе изготовления голограмм 10 и 11 их центрировка выполняется с высокой точностью, например, по общей базовой цилиндрической поверхности вторичного зеркала 9, то оптические оси голограмм 10 и 11 будут совмещены с оптической осью вторичного зеркала 9 с наименьшей возможной погрешностью (практически не более одного микрометра). При этом их центрировка с вторичным зеркалом 9 очевидно сохраняется неизменной в дальнейшем в процессе эксплуатации двухзеркальной системы. Эта особенность также повышает надежность юстировки предложенным устройством как в цеховых условиях, так и в штатном режиме в условиях обсерваторий.

Кроме того, использование в предложенном устройстве в качестве подложки для юстировочных голограмм 10 и 11 части отражающей поверхности вторичного зеркала 9 юстируемой двухзеркальной системы приводит к уменьшению числа элементов в оптической схеме устройства, а также к сокращению числа контролируемых отрезков в схеме до одного - расстояния между вершинами отражающих поверхностей главного и вторичного зеркал 9 и 12 двухзеркальной системы. Все это вместе взятое также обеспечивает существенное повышение надежности и оперативности юстировки двухзеркальных систем, а также значительное уменьшение массогабаритных характеристик контрольной аппаратуры.

Следует отметить, что юстировочные голограммы 10 и 11 могут быть синтезированы для работы на длине волны λ, меньшей, чем длина волны коротковолновой границы спектрального рабочего диапазона юстируемой двухзеркальной системы. Поэтому структуры юстировочных голограмм 10 и 11 в этом случае могут быть выполнены в любой световой зоне отражающей поверхности вторичного зеркала 9, так как их негативное действие на рабочих длинах волн будет незначительным.

Итак, из приведенных выше обоснований следует, что предложенное устройство юстировки, действительно, обладает высокой надежностью и оперативностью.

В предложенном устройстве апертуры синтезированных голограмм 10 и 11 являются либо кольцевыми, либо в виде двух взаимно перпендикулярных частей этих колец. В случае кольцевой апертуры имеет место сильное экранирование центральной части входного зрачка оптической системы, что, как известно, вызывает существенное увеличение интенсивности вторичных кольцевых дифрагированных максимумов и сужение центрального диска кружка Эри.

Если используется второй вариант нанесения юстировочных голограмм 10 и 11, показанный на фиг.3, то диаметрально противоположным частям каждой кольцевой зоны соответствуют два светлых пятна, которые формируются двумя сходящимися под определенным углом идентичными световыми пучками. В месте их фокусирования они накладываются друг на друга и интерферируют. Были экспериментально опробованы разные варианты их переналожения для имитации стадий окончательной юстировки системы.

На фиг.4 представлены изображения трех кружков Эри. Кружок Эри (фиг.4б) соответствует случаю, когда центральное экранирование отсутствует. Оно имитирует изображение кружка рассеяния, соответствующего визирной точке А₀. Два других кружка (фиг.4а и 4в) относятся к случаю, когда имеет место центральное экранирование. Они имитируют изображения кружков рассеяния для точек А₁₀ и А₁₁. Как видно на фиг.4а и 4в, светлые зоны в центрах этих изображений меньше светлой центральной зоны в изображении (см. фиг.4б), имитирующем изображение кружка рассеяния для визирной точки А₀. Очевидно, это способствует повышению точности их совмещения. Таким образом, при юстировке двухзеркальных оптических систем кольцевая форма апертур синтезированных голограмм 10 и 11 способствует повышению точности юстировочного процесса.

На фиг.5 представлены изображения кружков рассеяния в фокальной плоскости фокусирующего объектива 13 регистрирующей части, соответствующие трем фазам их совмещения (приближения друг к другу). Приближение изображений осуществляется продольным смещением элемента, который имитирует вторичное зеркало 9 юстируемой системы. Полное совмещение кружков рассеяния (фиг.5в) соответствует тому, что двухзеркальная система отъюстирована в продольном направлении. Для завершения юстировки необходимо это совмещенное изображение в свою очередь совместить с изображением визирной точки А₀ (не показанное на фиг.5) посредством угловых поворотов вторичного зеркала 9. Схождение и расхождение рассмотренных кружков рассеяния очень чувствительно к смещению имитатора вторичного зеркала 9 вдоль оптической оси, что также положительно отражается на точности и, в конечном счете, на надежности юстировки зеркал юстируемой системы.

Для проверки применимости предложенного устройства был проведен расчет частотных характеристик юстировочных голограмм 10 и 11 для юстировки зеркал разрабатываемого с участием иностранных фирм отечественного космического телескопа Т-170М [Боярчук А.А., Стешенко Н.В., Теребиж В.Ю. Оптическая система космического телескопа Т-170М // Известия Крымской Астрофизической обсерватории. 2008. Т.104. №1. С.229-239].

Параметры главного зеркала:

световой диаметр 1700±1 мм радиус кривизны при вершине 7820.0±10 мм квадрат эксцентриситета 1.029508±0.0008 диаметр центрального отверстия 440.0 мм центральная толщина (по оси) 100.0 мм

Параметры вторичного зеркала:

световой диаметр 399.07+1/-0 мм радиус кривизны при вершине 2214.761±8 мм квадрат эксцентриситета 2.848076±0.005

Расстояние между вершинами отражающих поверхностей главного и вторичного зеркал равно 3057.317 мм.

Для этого телескопа допустимый наклон вторичного зеркала при вращении относительно его центра составляет около 12 мкм, а поперечное смещение вторичного зеркала не должно превышать 50 мкм. В связи с этими допусками в предлагаемом устройстве юстировки диаметр круглого отверстия в диафрагме 7, устанавливаемой в центральное отверстие главного зеркала 12, должно быть не менее 0.4 мм.

Как показал расчет, максимальная пространственная частота штрихов для юстировочных голограмм 10 и 11 не превышает 500 мм^-1 (см. фиг.6 и фиг.7). Изготовление таких голограмм может быть выполнено, например, на круговой делительной машине МДГ-500, разработанной в ОАО «НПО ГИПО» для производства осевых синтезированных голограмм диаметром до 500 мм.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и направлено на повышение надежности и оперативности контроля юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем при их сборке и юстировке, а также в штатном режиме, в процессе их эксплуатации в условиях обсерваторий, что обеспечивается за счет того, что устройство содержит монохроматический источник света, коллиматор и светоделитель для формирования опорной и рабочей ветвей. В рабочей ветви установлены фокусирующий объектив, две осевые отражательные котировочные синтезированные голограммы, выполненные на отражающей поверхности вторичного зеркала, преимущественно в его краевой зоне, соосно с его оптической осью. Апертуры голограмм могут быть выполнены в виде круговых колец либо как пары диаметрально противоположных частей соответствующих круговых колец, развернутые друг относительно друга под определенным углом. В центральном отверстии главного зеркала установлена диафрагма с отверстием, центр которого совмещен с вершиной отражающей поверхности этого зеркала и фокусом фокусирующего объектива. В опорной ветви установлено плоское опорное зеркало перпендикулярно к световым лучам, распространяющимся от светоделителя, который может быть выполнен в виде призмы-куба, поверхность грани которого с нанесенным на нее отражающим покрытием со стороны опорной ветви является плоским опорным зеркалом. В регистрирующей части установлены второй фокусирующий объектив, позиционно чувствительное фотоприемное устройство с выходом на блок отображения и обработки информации. Технический результат заключается в повышении надежности и оперативности юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем за счет создания с высокой точностью единого оптического элемента, не расстраиваемого во времени, при этом обеспечивается уменьшение числа элементов и сокращение числа контролируемых отрезков до одного. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы, состоящей из главного и вторичного зеркал, содержащее монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу лучей коллиматор, светоделитель для формирования опорной и рабочей ветвей, установленные в рабочей ветви фокусирующий объектив для формирования точечного источника света, две осевые соосные между собой отражательные юстировочные синтезированные голограммы, одна из которых формирует автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно, а другая - совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала, плоское опорное зеркало, установленное в опорной ветви перпендикулярно к световым лучам, распространяющимся от светоделителя, в регистрирующей части установлены второй фокусирующий объектив, позиционно чувствительное фотоприемное устройство с выходом на блок отображения и обработки информации, отличающееся тем, что обе юстировочные синтезированные голограммы выполнены на отражающей поверхности вторичного зеркала, преимущественно в его краевой зоне, общая оптическая ось осевых юстировочных синтезированных голограмм совмещена с оптической осью вторичного зеркала, при этом в центральном отверстии главного зеркала установлена диафрагма с отверстием, центр которого совмещен с вершиной отражающей поверхности главного зеркала и задним фокусом фокусирующего объектива.

2. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы по п.1, отличающееся тем, что светоделитель выполнен в виде призмы-куба, а плоское опорное зеркало выполнено в виде поверхности грани призмы-куба с нанесенным на нее отражающим покрытием со стороны опорной ветви.

3. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы по п.1, отличающееся тем, что отверстие диафрагмы выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия
⌀≥2,44f'λ/D,
где ⌀ - диаметр круглого отверстия диафрагмы;
D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива;
λ - длина волны излучения монохроматического источника света.

4. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы по п.1, отличающееся тем, что распределение радиусов ρ середин кольцевых зон в структурах юстировочных синтезированных голограмм определяется условиями:
Δl_1,m[ρ(x-d),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно,
Δl_2,m[ρ(x-d),y₁(x),y₂(x-d),d]=λm - для голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала,
где m - номер кольцевой зоны юстировочной синтезированной голограммы;
Δl_1,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно;
Δl_2,m - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света совместно с соответствующей зоной отражающей поверхности главного зеркала;
y₁(x) и y₂(x-d) - функции, определяющие форму профиля отражающих поверхностей, соответственно, главного и вторичного зеркал в декартовой системе координат Оху с началом в вершине O₁ отражающей поверхности главного зеркала и осью Ох, совмещенной с оптической осью двухзеркальной центрированной оптической системы;
d - расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности главного зеркала;
λ - длина волны излучения монохроматического источника света.

5. Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы по п.1, отличающееся тем, что каждая из двух юстировочных синтезированных голограмм выполнена в виде пары диаметрально противоположных частей соответствующих круговых колец, причем эти пары развернуты друг относительно друга под определенным углом, например 90°.