ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЮСТИРОВКИ ДВУХЗЕРКАЛЬНОГО ОБЪЕКТИВА С АСФЕРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2015 года по МПК G02B27/62 G01B11/27 G02B7/198 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к способам юстировки оптических систем, и может быть использовано при изготовлении и сборке зеркальных и зеркально-линзовых объективов.

Об актуальности задачи юстировки двухзеркальных объективов говорит тот факт, что свыше 50% изготовленных в мире телескопов выполнены по двухзеркальной схеме Ричи-Кретьена или Кассегрена [1].

Основной задачей юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов является минимизации суммарной деформации волнового фронта объектива в любой точке поля зрения объектива. Очевидно, что при высоком качестве зеркал минимизация этой деформации достигается при совмещении осей асферических зеркал в пространстве и установке номинального межзеркального расстояния.

В простейшем случае совмещение осей зеркал в пространстве и установку номинального межзеркального расстояния производят по геометрическим базам. В качестве геометрических баз могут использоваться цилиндрические образующие зеркал или втулки крепления зеркал, относительно которых определяют положение осей, и плоские тыльные поверхности зеркал, относительно которой определяют направление осей и положение вершин зеркал. Например, положение вершин зеркал относительно тыльных сторон зеркал и положение осей асферических зеркал относительно цилиндрических образующих зеркал может быть измерено на координатно-измерительной машине. Такой метод пригоден только для юстировки низкоапертурных узкопольных объективов, имеющих большие допуски на взаимное положение элементов.

Известно развитие этого способа юстировки двухзеркальных объективов, например, [Михельсон Н.Н. Взаимная выверка зеркал в двухзеркальных телескопах // Оптический журнал. 1996. №3. С. 66-68].

В описанном способе совмещение осей зеркал производится при помощи дополнительных элементов в виде зеркал и светящихся контрольных источников, фиксирующих положение осей, что упрощает операцию юстировки, особенно крупногабаритных объективов телескопов, однако не повышает качество изображения объектива.

В случае высокоапертурных объективов с асферическими зеркалами, когда допуски на взаимную угловую установку осей зеркал составляют единицы угловых секунд, на взаимные поперечные смещения - единицы микрон, а на продольные смещения зеркал - десятки микрон, такой метод юстировки практически неосуществим. Это связано с тем, что расчетный допуск на взаимные наклон и децентрировку осей зеркал в этом случае значительно меньше, чем достигаемая погрешность измерения децентровки и наклона осей поверхностей зеркал относительно конструктивных баз или дополнительных элементов.

Более высокой точностью обладает выбранный нами в качестве прототипа интерферометрический способ взаимной юстировки зеркал с использованием синтезированного голограммного оптического элемента, имеющего одновременно соосные кольцевые голограммы для юстировки голограммы относительно интерферометра, для компенсационного интерференционного контроля вторичного асферического зеркала (на пропускание) и главного асферического зеркала (на отражение) [Пат. RU №2375676, МПК G01B 07/198, приор. 13.12.2007 г.].

Способ включает предварительную сборку объектива по геометрическим базам и его юстировку путем трех последовательных операций: установки голограммного элемента относительно интерферометра по результатам анализа волнового фронта, отраженного от юстировочной голограммы, юстировку главного зеркала по результатам анализа волнового фронта, сформированного голограммой-компенсатором на отражение и отраженного от главного зеркала, юстировку вторичного зеркала по результатам анализа волнового фронта, сформированного голограммой-компенсатором на пропускание и отраженного от вторичного зеркала. Анализ интерферограмм производят визуально, наклоняя и смещая зеркала поперек оси до достижения симметричных интерференционных колец на каждой из соосных зон интерференционного поля.

Такой способ позволяет установить соосно два асферических зеркала с высокой точностью, поскольку контрольные голограммы-компенсаторы сделаны на одной подложке, что гарантирует совпадение их осей симметрии.

Затем при необходимости производят изменение осевого положения зеркал до получения «бесконечно широкой» полосы на каждой из соосных зон интерференционного поля, что является признаком установки номинального межзеркального расстояния.

К недостаткам способа можно отнести высокую стоимость специально изготавливаемого для объективов каждого типа крупногабаритного голограммного оптического элемента, сравнимого по габаритам со вторичным зеркалом, необходимость использования дополнительно высокоточного пятикоординатного юстировочного устройства для юстировки голограммного элемента.

Еще один недостаток - снижение точности юстировки крупногабаритных объективов, поскольку голограммные оптические элементы ограничены по диаметру технологическими возможностями. Для крупногабаритных объективов возможно использование котировочных голограммных элементов с диаметром меньше диаметра вторичного зеркала, однако это приводит к падению точности юстировки пропорционально квадрату диаметра используемой голограммы. В России, например, в настоящее время возможно изготовление голограммного элемента диаметром 230 мм (в ближайшей перспективе - диаметром 300 мм), что позволяет без потери точности контролировать объективы со световым диаметром только до 600-700 мм.

Предложенный способ основан на том, что в осесимметричных объективах расчетное значение аберраций третьего порядка в симметричных точках поля зрения имеет симметрию: комы - одинаковую величину и разные знаки, а астигматизма - одинаковую величину. В хорошо отъюстированном реальном объективе распределение аберраций также должно иметь симметрию относительно центра поля зрения. Отклонение аберраций от симметрии в симметричных точках поля зрения объектива свидетельствует о децентрировке зеркал. Нами расчетным путем было показано и экспериментально подтверждено, что достижение симметричности аберрационных коэффициентов: комы и астигматизма, в симметричных точках поля объектива приводит к значительному улучшению характеристик качества изображения объектива (функции передачи модуляции, концентрации энергии) по всему полю зрения объектива даже при наличии технологически достижимой ошибки в определении центра поля зрения объектива.

Предложен высокоточный интерферометрический способ юстировки асферических зеркал в двухзеркальном объективе с минимальной волновой ошибкой по всему полю зрения объектива вне зависимости от светового диаметра. При высокой точности способ прост и дешев, поскольку не требует применения дорогостоящих контрольных элементов и дополнительных высокоточных котировочных устройств.

Такой результат достигнут нами, когда в интерферометрическом способе юстировки двухзеркального объектива, включающем предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения и юстировку объектива по результатам интерферометрического анализа волнового фронта объектива с использованием дополнительного оптического элемента, новым является то, что формирование автоколлимационного изображения осуществляют путем установки фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива, анализируют волновой фронт объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в двух расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения, изменяют положение вторичного зеркала до достижения симметрии комы и астигматизма в этих точках путем его угловых и линейных поперечных котировочных перемещений на величину, обратную рассчитанным наклону и смещению вторичного асферического зеркала, а расчет осуществляют, определяя синусные и косинусные составляющие аберрационных коэффициентов Цернике - астигматизма и комы, вызванные децентрировкой, и расчетом по их значениям наклона и смещения вторичного асферического зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала, анализируют волновой фронт объектива в центре поля зрения, определяют аберрационный коэффициент сферической аберрации третьего порядка, по его значению рассчитывают осевое смещение вторичного зеркала относительно номинального положения, а осевое перемещение вторичного зеркала осуществляют на величину, обратную осевому смещению.

Подходы к предварительной сборке двухзеркальных объективов по конструктивным базам известны. Конструктивные базы (положения вершин зеркал относительно тыльной стороны зеркал и осей зеркал относительно цилиндрических образующих) определяются на координатно-измерительной машине. Предварительная центровка зеркал осуществляется при помощи высокоточного поворотного стола и цифровых индикаторов. Межзеркальное расстояние предварительно устанавливается при помощи нутромера.

Расчет коэффициентов пропорциональности между децентрировкой вторичного зеркала и аберрационными коэффициентами комы и астигматизма, а также осевым смещением и коэффициентом сферической аберрации производится в расчетных пакетах Opal, Zemax.

Контроль волнового фронта объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом осуществляется традиционным способом, при анализе интерферограмм используются пакеты Interf, WinFringe.

Для контроля линейных относительных перемещений вторичного зеркала при корректировке его положения используются цифровые индикаторы, для контроля угловых относительных перемещений вторичного зеркала - цифровые автоколлиматоры.

Корректировка положения вторичного зеркала производится при помощи пятикоординатного юстировочного устройства, например, [2].

На фиг. 1 приведена схема юстировки с котировочными устройствами и приборами контроля, где интерферометр 1, объектив 2 интерферометра, трехкоординатный стол 3, изделие-держатель 4, втулка 5 главного зеркала, главное зеркало 6, ферма 7 вторичного зеркала, вторичное зеркало 8, юстировочное устройство 9 вторичного зеркала, плоское зеркало 10, автоколлиматор 11, цифровой индикатор 12, дополнительный оптический элемент - плоское автоколлимационное зеркало 13 и держатель 14 плоского зеркала.

На фиг. 2 (а, б) приведены интерферограммы волнового фронта телескопа в симметричных точках поля +ώ, -ώ после сборки телескопа по конструктивным базам (за центры зеркал приняты центры цилиндрических образующих зеркал, за направления осей - нормали к тыльной поверхности зеркал).

На фиг. 3 (а, б) приведены интерферограммы волнового фронта телескопа в симметричных точках поля +ώ, -ώ после юстировки.

Рассмотрим возможность определения децентрировки зеркал, используя значения аберрационных коэффициентов третьего порядка, получаемые в процессе анализа интерференционного фронта двухзеркального объектива.

Известно, что при малых децентрировках астигматизм и кома, вызванные децентрировкой, пропорциональны децентрировке, причем астигматизм линейно возрастает с увеличением поля, а кома является постоянной по всему полю [3, 4]. Астигматизм в любой точке поля можно представить в виде независимых членов

W^P _A - расчетный полевой астигматизм, дл. волн;

W^C _A - собственный суммарный астигматизм зеркал, дл. волн;

W^Д _А - астигматизм, вызванный децентрировкой, дл. волн.

Кому в любой точке поля можно представить в виде независимых членов

W^P _C - расчетная полевая кома, дл. волн;

W^Д _С - кома, вызванная децентрировкой, дл. волн.

Аберрации, вызванные децентрировкой, можно определить, если учесть вышеизложенный факт о симметрии комы и астигматизма в симметричных точках поля. Астигматизм и кому, вызванные децентрировкой, в заданной точке поля ώ можно определить из результатов измерения астигматизма и комы в симметричных точках поля +ώ, -ώ.

W^Дω _A - астигматизм в точке ώ, вызванный децентрировкой, дл. волн;

W^Дω _С - кома в точке ώ, вызванная децентрировкой, дл. волн;

W^+ω _A - астигматизм в точке поля +ώ, дл. волн;

W^-ω _A - астигматизм в точке поля -ώ, дл. волн;

W^+ω - кома в точке поля +ώ, дл. волн;

W^-ω _C - кома в точке поля -ώ, дл. волн.

Синусные и косинусные составляющие астигматизма и комы, вызванных децентрировкой, в симметричных точках поля +ώ, -ώ линейно связаны со смещением Δ и наклоном Ψ оси вторичного зеркала относительно оси главного зеркала.

С учетом (3) и (4)

А^+ω _cos, А^-ω _cos, А^+ω _sin, А^-ω _sin - косинусные и синусные составляющие коэффициентов астигматизма третьего порядка в симметричных точках поля +ώ, -ώ, дл. волн.;

C^+ω _cos, С^-ω _cos, С^+ω _sin, С^-ω _sin - косинусные и синусные составляющие коэффициентов комы третьего порядка в симметричных точках поля +ώ, -ώ, дл. волн.;

Δ_X, Δ_Y - смещение по осям X, Y, мкм;

Ψ_X, Ψ_Y - наклон по осям X, Y, угл. сек;

D, E - коэффициенты пропорциональности, мкм/дл. волн;

F, G - коэффициенты пропорциональности, угл. сек/дл. волн.

Коэффициенты пропорциональности между аберрационными коэффициентами Цернике, наклоном и смещением оси вторичного асферического зеркала в точках поля +ώ, -ώ определяют расчетным путем в любом пакете для оптических расчетов (Opal, Zemax). Реальные значения аберрационных коэффициентов при анализе интерферограмм получают в пакетах обработки интерферограмм Interf, WinFringe и др.

Таким образом, определение аберрационных коэффициентов в симметричных точках поля зрения объектива позволяет, зная коэффициенты пропорциональности, определить смещение и наклон вторичного зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала. Компенсация рассчитанных смещения и наклона вторичного зеркала позволяет исключить влияние аберраций, вызванных децентрировкой, на качество изображения объектива.

Приведенные зависимости относятся к случаю, когда центр поля зрения объектива находится на оси главного зеркала. В реальном случае определение положения центра поля зрения объектива происходит с ошибкой, которая в случае высокоапертурных объективов больше, чем требуемая ошибка взаимной установки зеркал. Однако, как было показано расчетным путем и экспериментально подтверждено, достижение симметричности аберрационных коэффициентов комы и астигматизма в симметричных точках поля объектива по приведенному алгоритму ведет к значительному улучшению характеристик качества изображения объектива (функции передачи модуляции, концентрации энергии) по всему полю зрения объектива даже при наличии технологически достижимой ошибки в определении центра поля зрения объектива.

Еще одним параметром, существенно влияющим на качество изображения, является величина межзеркального расстояния.

Для оптимизации межзеркального расстояния используется линейная зависимость между коэффициентом сферической аберрации третьего порядка и отклонением межзеркального расстояния от номинального значения [5].

Δd=K S, где

S - коэффициент сферической аберрации в центре поля зрения, дл. волн;

Δd - отклонение межзеркального расстояния от номинального значения, мкм;

K - коэффициент пропорциональности, мкм/дл. волн.

Осевое смещение вторичного зеркала, соответствующее отклонению измеренного значения сферической аберрации третьего порядка от расчетной величины, можно определить в пакете для оптических расчетов (Opal, Zemax). Реальное значение коэффициента сферической аберрации при анализе интерферограмм получают в пакетах обработки интерферограмм Interf, WinFringe.

В качестве примера приведено описание процесса юстировки и результаты юстировки (совмещения осей зеркал) высокоапертурного двухзеркального телескопа среднего ИК-диапазона с относительным отверстием 1:2.

На примере рассмотрена только центрировка вторичного зеркала, поскольку корректировка межзеркального расстояния проста и понятна из описания способа.

Предварительная сборка объектива осуществляется традиционным способом. Вначале определяют на координатно-измерительной машине положение вершин зеркал относительно тыльной стороны зеркал и положение осей зеркал относительно цилиндрической образующей и втулок крепления зеркал.

Проведенная нами оценка погрешности измерения смещения оси главного зеркала относительно цилиндрической образующей составила 80 мкм, а погрешность измерения наклона оси зеркала к плоской тыльной стороне зеркала составила 30 угл. сек. Для данного объектива расчетные значения допустимого взаимного смещения осей зеркал составляют 10 мкм, а взаимного наклона - 10 угл. сек. Очевидно, что сборка по геометрическим базам не позволит достичь наилучшего качества изображения объектива и он будет нуждаться в юстировке. В данном случае основным (зачетным) параметром качества является концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра.

Затем объектив устанавливают на вращающийся стол. Вначале центр главного зеркала 6 поперечными подвижками зеркала совмещают с центром вращающегося стола, затем с помощью пятикоординатного юстировочного устройства 9 линейными поперечными подвижками с центром вращающегося стола совмещают центр вторичного зеркала 8. Угловыми подвижками юстировочного устройства 9 тыльные стороны зеркал устанавливают параллельно друг другу. С помощью линейной осевой подвижки юстировочного устройства 9 устанавливают расчетное значение межзеркального расстояния по расстоянию между тыльными поверхностями зеркал. После этого объектив устанавливают на изделие держатель 4.

Первая операция юстировки - установка фокальной точки объектива 2 интерферометра 1 в центр поля зрения объектива с помощью трехкоординатной подвижки 3. Она осуществляется при помощи диафрагмы, вточенной по скользящей посадке во втулку 5 главного зеркала 6. После установки фокальной точки объектива интерферометра в центр поля зрения объектива диафрагма снимается. Затем поперечными подвижками стола 3 перемещают интерферометр 1 в симметричные точки поля +ώ, -ώ, при помощи подвижек держателя 14 плоского автоколлимационного зеркала 13 производят настройку интерференционной картины на конечное число полос, осуществляют регистрацию и анализ интерференционных картин (используются пакеты программ Interf, WinFringe).

В данной реализации косинусные и синусные составляющие астигматизма и комы до юстировки были равны (λ=3,39 мкм)

А^+ω _cos=-1,248 A^+ω _sin=-0,645 A^-ω _cos=-0,577 A^-ω _sin=-0,575 C^+ω _cos=-0,216 С^+ω _sin=0,037 С^-ω _cos=-0,093 C^-ω _sin=0,061

Концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра (зачетная характеристика) на поля +ώ, -ώ равна

K^+ω _э=0,588 K^-ω _э=0,681

Угловые и линейные юстировочные перемещения вторичного зеркала по осям X, Y осуществляют на величину, обратную рассчитанным (рассчитаны по формулам, приведенным выше) наклону и смещению оси вторичного асферического зеркала, что исключает из суммарной ошибки волнового фронта объектива ошибки, вызванные взаимным наклоном и смещением асферических зеркал. Важно, что измерения углового и линейного положения вторичного зеркала и его перемещения являются относительными от исходного положения, что упрощает процесс контроля и юстировки. Контроль относительного углового перемещения вторичного зеркал 8 осуществляют при помощи двухкоординатного автоколлиматора 11 и плоского зеркала 10, приклеенного к тыльной поверхности вторичного зеркала 8, относительных линейных перемещений вторичного зеркала 8 - при помощи цифровых индикаторов 12. Юстировочные перемещения вторичного зеркала производят при помощи пятикоординатной подвижки 9 [2].

После смещения и разворота вторичного зеркала на расчетные величины косинусные и синусные составляющие астигматизма и комы стали равны (λ=3,39 мкм)

A^+ω _cos=-0,335 A^+ω _sin=-0,612 А^-ω _cos=-0,314 А^-ω _sin=-0,613 C^+ω _cos=-0,154 C^+ω _sin=0,010 С^-ω _cos=-0,274 С^-ω _sin=-0,106

Концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра на полях +ώ, -ώ

K^+ω _э=0,735 K^-ω _э=0,740

Юстировка по предложенному способу позволила значительно увеличить концентрацию энергии на краях поля зрения с K_э=0,588 до K_э=0,735 и получить симметричное поле изображения (симметрия по K_э не хуже 0,005).

По предложенному способу с положительным результатом произведена юстировка семи высокоапертурных объективов среднего ИК диапазона световым диаметром 500 мм, что подтвердило правильность предложенных решений и позволяет надеяться на широкое использование способа в оптико-механической промышленности.

Литература

1. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы. М.: Наука / Интерпериодика. 2005. С. 80.

2. Вензель В.И. Юстировочное устройство. Патент РФ на полезную модель №85003. 2009.

3. Губель Н.Н. Аберрации децентрированных оптических систем. Машиностроение. 1975. С. 271.

4. Герловин Б.Я. Векторно-матричный метод расчета аберраций, обусловленных децентрировками // ОМП. 1974. №1. С. 26-30.

5. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. М.: Издательство Физико-математической литературы. 1995. С. 383.

Способ юстировки включает предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения путем установки фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива и анализирование волнового фронта объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в двух расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения. Изменяют положение вторичного зеркала до достижения симметрии комы и астигматизма в этих точках путем его угловых и линейных поперечных перемещений на величину, обратную рассчитанным наклону и смещению вторичного асферического зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала. Расчет осуществляют по значениям синусных и косинусных составляющих аберрационных коэффициентов Цернике - астигматизма и комы, вызванных децентрировкой. Анализируют волновой фронт объектива в центре поля зрения, определяют аберрационный коэффициент сферической аберрации третьего порядка, по его значению рассчитывают осевое смещение вторичного зеркала относительно номинального положения. Осевое перемещение вторичного зеркала осуществляют на величину, обратную осевому смещению. Технический результат - повышение точности юстировки и ее упрощение. 3 ил.

Интерферометрический способ юстировки двухзеркального объектива, включающий предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения и юстировку объектива по результатам интерферометрического анализа волнового фронта объектива с использованием дополнительного оптического элемента, отличающийся тем, что формирование автоколлимационного изображения осуществляют путем установки фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива, анализируют волновой фронт объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в двух расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения, изменяют положение вторичного зеркала до достижения симметрии комы и астигматизма в этих точках путем его угловых и линейных поперечных котировочных перемещений на величину, обратную рассчитанным наклону и смещению вторичного асферического зеркала, а расчет осуществляют, определяя синусные и косинусные составляющие аберрационных коэффициентов Цернике - астигматизма и комы, вызванные децентрировкой, и расчетом по их значениям наклона и смещения вторичного асферического зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала, анализируют волновой фронт объектива в центре поля зрения, определяют аберрационный коэффициент сферической аберрации третьего порядка, по его значению рассчитывают осевое смещение вторичного зеркала относительно номинального положения, а осевое перемещение вторичного зеркала осуществляют на величину, обратную осевому смещению.