Устройство коллинеарного переноса лучей Российский патент 2024 года по МПК G02B27/10 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам, используемым при точном монтаже, юстировке и работе крупногабаритных оптических систем. Устройство предназначено для высокоточного коллинеарного переноса оптических осей на расстояния, например, до нескольких метров при эксплуатации его в произвольных пространственных положениях.

Известно устройство коллинеарного переноса лучей (УКПЛ) [1], содержащее две пентапризмы, закрепленные на концах протяженной механической базы так, что их главные сечения ориентированы параллельно, а входная (для входящих в УКПЛ световых лучей) грань первой пентапризмы ориентирована параллельно выходной (для выходящих из УКПЛ световых лучей) грани второй пентапризмы. Для удобства юстировки коллинеарного переноса лучей устройством и обеспечения возможности согласования с другими оптическими системами на входе или на выходе УКПЛ установлены оптические клинья.

Точность или стабильность коллинеарного переноса лучей таким устройством определяется стабильностью или неизменностью взаимного углового положения пентапризм в процессе работы устройства.

Известны технические решения УКПЛ [2,3], в которых стабильность обеспечивается компенсационными схемами, заложенными в конструкциях.

Например, в известной конструкции с компенсационной схемой [3] механическая база (труба) с призмами устанавливается на две опоры так, чтобы взаимное угловое положение призм не изменялось в процессе работы в произвольных пространственных положениях.

Также известна конструкция с компенсационной схемой [2], в которой

для уменьшения влияния прогибов механической базы (стальной трубы), на концах которой установлены оптические призмы, при работе УКПЛ в произвольных пространственных положениях в гравитационном поле Земли труба с пентапризмами помещалась в сосуд с жидкостью, где за счет силы Архимеда создавалась выталкивающая сила, равная весу трубы с призмами, и таким образом исключалось влияние гравитации на УКПЛ и обеспечивалась стабильность механической базы с призмами.

Такие компенсационные схемы хорошо работают с пространственными базами (трубами) до нескольких метров и обеспечивают секундную (угловые секунды) точность по стабильности коллинеарного переноса лучей и, соответственно, по неизменности взаимных угловых положений выходных из УКПЛ лучей относительно входных в УКПЛ лучей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для коллинеарного переноса оптических осей [2], содержащее внутреннюю трубу и внешнюю трубу. На боковой поверхности труб имеются окна. Во внутренней трубе установлены первая и вторая пентапризмы, расположенные на одной оптической оси. Перед пентапризмами со стороны окон размещены клиновые оптические компенсаторы. Внутренняя труба установлена во внешней трубе на опорах с возможностью ограниченного осевого перемещения и поворота. Первая отражающая грань первой пентапризмы выполнена светоделительной, к первой отражающей грани первой пентапризмы прикреплен оптический клин, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для одного направления хода световых лучей, от входного окна до первого выходного окна.

Недостатком известных устройств и компенсационных схем является отсутствие информации о том, насколько надежно работают эти схемы в процессе эксплуатации. Это особенно важно, когда требуется знать с погрешностями до десятых и меньших долей угловой секунды изменения взаимных угловых положений выходных из УКПЛ лучей относительно входных в УКПЛ лучей и иметь возможность учитывать эти изменения в виде поправок для высокоточного коллинеарного переноса лучей в реальном масштабе времени.

С целью устранения этого недостатка предлагается решение, при котором в процессе работы УКПЛ можно с высокой точностью измерять взаимные угловые положения пентапризм и учитывать в реальном масштабе времени изменения этих положений в виде поправок для высокоточного коллинеарного переноса лучей.

Таким образом, с целью устранения указанного недостатка предлагается устройство коллинеарного переноса лучей, содержащее первую и вторую пентапризмы, расположенные на одной оптической оси внутри корпуса, имеющем одно входное и два выходных окна, при этом главные сечения пентапризм ориентированы параллельно,

первая отражающая грань первой пентапризмы выполнена светоделительной, к первой отражающей грани первой пентапризмы прикреплен оптический клин, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для одного направления хода световых лучей, от входного окна до первого выходного окна,

входная грань первой пентапризмы со стороны входного окна ориентирована параллельно выходной грани второй пентапризмы со стороны второго выходного окна,

в первом выходном окне установлен первый двухклиновый оптический компенсатор, во втором выходном окне установлен второй двухклиновый оптический компенсатор,

устройство дополнительно включает расположенные на одной оптической оси с пентапризмами две оптические плосковыпуклые линзы, одинаковые первый и второй объективы с цилиндрическими отверстиями,

на другой параллельной оптической оси дополнительно содержатся последовательно расположенные друг за другом третий объектив, светоделительный кубик, связанный с автоколлимационной маркой и источником света, и первый плоский матричный приемник,

дополнительно введен оборачивающий призменный блок, связывающий между собой ход лучей элементов, расположенных на параллельных оптических осях,

на выпуклых центральных частях плосковыпуклых линз, развернутых навстречу друг другу, выполнены лыски, на которые нанесены зеркальные светоделительные покрытия, при этом плоские поверхности плосковыпуклых линз жестко связаны с плоскими выходной и входной гранями первой и второй пентапризм, соответственно,

оси цилиндрических отверстий первого и второго объективов совпадают с их оптическими осями, причем первый и второй объективы установлены на оптической оси симметрично относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

на одном краю плоской поверхности первой плосковыпуклой линзы с края нанесена первая маска с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного второго плоского матричного приемника, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности первой линзы,

на диаметрально противоположном краю плоской поверхности первой плосковыпуклой линзы нанесена вторая маска с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного третьего плоского матричного приемника, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности первой линзы, при этом вторая маска с точечными диафрагмами сдвинута на половину плоскости третьего плоского матричного приемника от края первой линзы в сторону к ее оптической оси,

на плоской поверхности второй линзы нанесены третья и четвертая маски с точечными диафрагмами, расположенными соответственно симметрично к первой и второй маскам на плоской поверхности первой линзы относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

дополнительно установлены первый и второй осветители соответственно со стороны третьей и четвертой масок на плоской поверхности второй линзы с зонами засветок соответственно симметричными зонам перекрытий на плоской поверхности первой линзы от второго и третьего матричных приемников, относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

вторая отражающая грань первой пентапризмы выполнена светоделительной, ко второй отражающей грани первой пентапризмы прикреплен оптический клин, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для другого направления хода световых лучей, перпендикулярного первому направлению хода световых лучей.

На чертеже фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства коллинеарного переноса лучей, на фиг.2 - вид А-А фиг.1. Устройство содержит первую 1 и вторую 2 пентапризмы, расположенные на одной оптической оси внутри корпуса 3, имеющем одно входное окно 3.1 (при входном в УКПЛ луче направления ) и два выходных окна 3.2 и 3.3 (с выходными коллинеарными лучами направлений и , соответственно), главные сечения пентапризм ориентированы параллельно.

Первая отражающая грань 1.2 первой пентапризмы 1 выполнена светоделительной, к первой отражающей грани 1.2 первой пентапризмы прикреплен оптический клин 1.6, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для одного направления хода световых лучей, от входного окна 3.1 до первого выходного окна 3.2.

Входная грань 1.1 первой пентапризмы 1 со стороны входного окна 3.1 ориентирована параллельно выходной грани 2.2 второй пентапризмы 2 со стороны второго выходного окна 3.3.

В первом выходном окне 3.2 установлен первый двухклиновый оптический компенсатор 4 состоящий из клиньев 4.1 и 4.2, во втором выходном окне 3.2 установлен второй двухклиновый оптический компенсатор 5 состоящий из клиньев 5.1 и 5.2.

Устройство дополнительно включает расположенные на одной оптической оси с пентапризмами 1 и 2 две оптические плосковыпуклые линзы 6 и 7, первый 8 и второй 9 объективы с цилиндрическими отверстиями 8.1 и 9.1.

На другой параллельной оптической оси дополнительно содержатся последовательно расположенные друг за другом третий объектив 10, светоделительный кубик 11, связанный с автоколлимационной маркой 12 и источником света 13, и первый плоский матричный приемник 14.

Дополнительно введен оборачивающий призменный блок 15, связывающий между собой ход лучей элементов, расположенных на параллельных оптических осях.

Выпуклые поверхности плосковыпуклых линз 6 и 7 развернуты навстречу друг другу и состоят из выпуклых частей 6.2 и 7.2 по краям и лысок 6.2.1 и 7.2.1на их центральных частях.

При этом плоские поверхности 6.1 и 7.1 плосковыпуклых линз жестко связаны с плоскими выходной 1.3 и входной 2.3 гранями первой 1 и второй 2 пентапризм, соответственно.

Оси цилиндрических отверстий 8.1 и 9.1 первого 8 и второго 9 объективов совпадают с их оптическими осями, при этом первый и второй объективы установлены на оптической оси симметрично относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между линзами 6 и 7.

На одном краю плоской поверхности 6.1 первой линзы 6, фиг. 2, нанесена первая маска 6.3 с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного второго плоского матричного приемника 16, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности 6.1 первой линзы 6.

На диаметрально противоположном краю плоской поверхности 6.1 первой плосковыпуклой линзы 6 нанесена вторая маска 6.4 с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного третьего плоского матричного приемника 17, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности первой линзы, при этом вторая маска 6.4 с точечными диафрагмами, сдвинута на половину плоскости третьего плоского матричного приемника 17 от края первой линзы 6 в сторону к ее оптической оси.

На плоской поверхности 7.1 второй линзы 7 нанесены третья 7.3 и четвертая 7.4 маски с точечными диафрагмами, расположенными соответственно симметрично к первой 6.3 и второй 6.4 маскам на плоской поверхности первой линзы 6 относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами 6 и 7.

Дополнительно установлены первый 18 и второй 19 осветители соответственно со стороны третьей 7.3 и четвертой 7.4 масок на плоской поверхности второй линзы 7 с зонами засветок соответственно симметричными зонам перекрытий на плоской поверхности первой линзы 6 от второго 16 и третьего 17 матричных приемников, относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами 6 и 7.

На лысках 6.2.1 и 7.2.1 выпуклых поверхностей первой 6 и второй 7 линз нанесены зеркальные светоделительные покрытия.

Вторая отражающая грань 1.4 первой пентапризмы 1 выполнена светоделительной, ко второй отражающей грани 1.4 первой пентапризмы 1 прикреплен оптический клин 1.5, дополняющий пентапризму 1 до плоскопараллельной пластинки для другого направления хода световых лучей, перпендикулярного первому направлению хода световых лучей.

Работа с УКПЛ осуществляется следующим образом.

Предварительно осуществляется подготовка к работе. Для этого в выбранном исходном положении устройства с помощью первого двухклинового оптического компенсатора 4 из оптических клиньев 4.1 и 4.2 обеспечивается для одной длинны волны λ₁ юстировка коллинеарного переноса между падающим на УПКЛ лучом направления и прошедшим через УПКЛ 15 напрямую лучом направления , фиг.1. Затем, с помощью второго двухклинового оптического компенсатора 5 из оптических клиньев 5.1 и 5.2 обеспечивается юстировка коллинеарного переноса между лучом направления или, при необходимости, между прошедшим через УКПЛ напрямую лучом и прошедшим через УКПЛ, после отражений от пентапризм 1 и 2, лучом направления также для одной длины волны λ₁.

Допустим, предварительная настройка УКПЛ, расположенного в системе координат XYZ (фиг.1), получилась с известными остаточными нарушениями коллинеарного переноса лучей, т.е. с остаточной величиной непараллельности между лучом направления и прошедшим через УКПЛ лучом направления в плоскости XY и с остаточной величиной непараллельности между лучом направления и прошедшим через УКПЛ лучом направления в плоскости ZX.

Для понимания работы устройства отметим, что элементы конструкции из третьего объектива 10, светоделительного кубика 11, автоколлимационной марки 12, источника света 13 со второй длиной волны λ₂ и первый плоский матричный приемник 14, выполняют функцию автоколлиматора, с помощью которого через оборачивающий призменный блок 15 наблюдаются, только для светового излучения с второй длиной волны λ₂, автоколлимационные изображения марки 12 от зеркальных светоделительных покрытий на лысках 6.2.1 и 7.2.1 выпуклых поверхностей первой линзы 6 и второй линзы 7, соответственно. Для светового излучения с первой длиной волны λ₁ покрытия являются прозрачными, световое излучение с длиной волны λ₁ проходит сквозь покрытия.

Также первоначально, при подготовке к работе устройства, по автоколлимационным изображениям от зеркальных светоделительных покрытий определяется взаимное угловое положение пентапризмы 1, поскольку пентапризма жестко связана с линзой 6 с зеркальной гранью (лыской) относительно пентапризмы 2, поскольку пентапризма жестко связана с линзой 7 с зеркальной гранью, т.е. определяются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях XY и ZY углы и . Определяется угол скручивания для призм вокруг оси Y. Для этого на масках 7.3 и 7.4 с помощью осветителей 18 и 19 подсвечиваются точечные диафрагмы, фиг.2.

Для примера возьмем одну точечную диафрагму S₁ на маске 7.4 и одну точечную диафрагму S₂ на маске 7.3.

На фиг.3 показан вид сбоку, вид по стрелке Б, на зону засветки от осветителя 19 и на точечную диафрагму S₁.

На фиг.4 показан вид сбоку, вид по стрелке В, на зону засветки от осветителя 18 и на точечную диафрагму S₂.

С помощью первого 8 и второго 9 объективов изображения этих точек, обозначим их как S’₁ и S’₂, получают на матричных приемниках 16 и 17 с координатами х’₁ и х’₂, фиг.5 и фиг.6. Кроме того, объективы переносят световые поля от осветителей 19 и 18, которые обеспечивают подсветку точечных диафрагм на масках 6.3 и 6.4, фиг.2.

Для примера возьмем также две точки - точку S₃ (фиг.5) с маски 6.3 и точку S₄ с маски 6.4 (фиг.6).

На фиг.5 показан вид фиг.1 по стрелке Д на матричный приемник 16, на фиг.6 - вид фиг.1 по стрелке Г на матричный приемник 17.

Поскольку плоскости матричных приемников 16 и 17 находятся в непосредственной близости к плоскости 6.1, в которой находятся маски 6.3 и 6.4, то на них формируются изображения от подсвеченных точек на масках, т.е. изображение точки S₃ с маски 6.3 будет иметь координату х₃, а точка S₄ с маски 6.4 будет иметь координату х₄. Тогда угол скручивания , определяемый при юстировке УКПЛ, будет равен

,

где L - постоянное расстояние между точками S₄ и S₃.

Таких пар точек и изображений может быть множество, по каждой паре точек определяется угол скручивания , а затем может находиться среднее значение , что повышает точность измерений.

Уже в процессе работы УКПЛ в различных пространственных положениях выполняются автоматически такие же измерения взаимных угловых положений пентапризм и каждый раз определяются новые значения углов и , где - номер положения. Тогда поправки по углам (для каждого i - того положения) будут определяться как , , , которые можно будет добавлять в выражения углов непараллельности и между лучами и . Например, для данной схемы с пентапризмами для поправки не требуются, т.е.

= ,

а для получается

= .

Погрешности определения значений поправок могут быть, например, до десятых долей угловой секунды, соответственно, и точность УКПЛ будет определяться такими же малыми погрешностями.

Таким образом, несмотря на возможные остаточные деформации корпуса устройства коллинеарного переноса лучей, его точность в связи с возможностью учета поправок получается высокой.

Источники информации:

1. Сакин И.Л. Выверитель параллельности осей оптических систем. ОМП, 1960, 12, с.26.

2. Авторское свидетельство №957147, G02B 27/10, 20.08.80. Устройство для коллинеарного переноса оптических осей; - прототип.

3. Панчини Ф, Рихтер В., Вильсон Р. Оптические телескопы будущего. Изд-во «Мир», 1981, 433 с.

Изобретение относится к устройствам, используемым при точном монтаже, юстировке и работе крупногабаритных оптических систем. Устройство коллинеарного переноса лучей содержит первую 1 и вторую 2 пентапризмы, расположенные на одной оптической оси внутри корпуса 3, имеющего одно входное окно 3.1 и два выходных окна 3.2 и 3.3. К первой отражающей грани 1.2 первой пентапризмы прикреплен оптический клин 1.6, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для одного направления хода световых лучей. В выходных окнах установлены двухклиновые оптические компенсаторы. На одной оптической оси с пентапризмами 1 и 2 расположены две оптические плосковыпуклые линзы 6 и 7, одинаковые первый 8 и второй 9 объективы с цилиндрическими отверстиями 8.1 и 9.1. На другой параллельной оптической оси содержатся последовательно расположенные друг за другом третий объектив 10, светоделительный кубик 11, связанный с автоколлимационной маркой 12 и источником света 13, и первый плоский матричный приемник 14. Оборачивающий призменный блок 15 связывает между собой ход лучей элементов, расположенных на параллельных оптических осях. На выпуклых центральных частях 6.2 и 7.2 плосковыпуклых линз 6 и 7, развернутых навстречу друг другу, выполнены лыски 6.2.1 и 7.2.1. Плоские поверхности 6.1 и 7.1 линз жестко связаны с плоскими выходной 1.3 и входной 2.3 гранями первой 1 и второй 2 пентапризм, соответственно. На плоских поверхностях первой и второй линз нанесены маски с точечными диафрагмами, взаимодействующими соответственно с матричными приемниками и осветителями. Технический результат - повышение стабильности коллинеарного переноса. 6 ил.

Устройство коллинеарного переноса лучей, содержащее первую и вторую пентапризмы, расположенные на одной оптической оси внутри корпуса, имеющего одно входное и два выходных окна, при этом главные сечения пентапризм ориентированы параллельно,

первая отражающая грань первой пентапризмы выполнена светоделительной, к первой отражающей грани первой пентапризмы прикреплен оптический клин, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для одного направления хода световых лучей, от входного окна до первого выходного окна,

входная грань первой пентапризмы со стороны входного окна ориентирована параллельно выходной грани второй пентапризмы со стороны второго выходного окна,

в первом выходном окне установлен первый двухклиновый оптический компенсатор, во втором выходном окне установлен второй двухклиновый оптический компенсатор, отличающееся тем, что

устройство дополнительно включает расположенные на одной оптической оси с пентапризмами две оптические плосковыпуклые линзы, одинаковые первый и второй объективы с цилиндрическими отверстиями,

на другой параллельной оптической оси дополнительно содержатся последовательно расположенные друг за другом третий объектив, светоделительный кубик, связанный с автоколлимационной маркой и источником света, и первый плоский матричный приемник,

дополнительно введен оборачивающий призменный блок, связывающий между собой ход лучей элементов, расположенных на параллельных оптических осях,

на выпуклых центральных частях плосковыпуклых линз, развернутых навстречу друг другу, выполнены лыски, на которые нанесены зеркальные светоделительные покрытия, при этом плоские поверхности плосковыпуклых линз жестко связаны с плоскими выходной и входной гранями первой и второй пентапризм, соответственно,

оси цилиндрических отверстий первого и второго объективов совпадают с их оптическими осями, причём первый и второй объективы установлены на оптической оси симметрично относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

на одном краю плоской поверхности первой плосковыпуклой линзы с края нанесена первая маска с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного второго плоского матричного приемника, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности первой линзы,

на диаметрально противоположном краю плоской поверхности первой плосковыпуклой линзы нанесена вторая маска с точечными диафрагмами на величину половины плоскости дополнительно введенного третьего плоского матричного приемника, расположенного вблизи и параллельно этого края плоской поверхности первой линзы, при этом вторая маска с точечными диафрагмами сдвинута на половину плоскости третьего плоского матричного приемника от края первой линзы в сторону к ее оптической оси,

на плоской поверхности второй линзы нанесены третья и четвертая маски с точечными диафрагмами, расположенными соответственно симметрично к первой и второй маскам на плоской поверхности первой линзы относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

дополнительно установлены первый и второй осветители соответственно со стороны третьей и четвертой масок на плоской поверхности второй линзы с зонами засветок, соответственно симметричными зонам перекрытий на плоской поверхности первой линзы от второго и третьего матричных приемников относительно плоскости, перпендикулярной к оптической оси и расположенной посредине между плосковыпуклыми линзами,

вторая отражающая грань первой пентапризмы выполнена светоделительной, ко второй отражающей грани первой пентапризмы прикреплен оптический клин, дополняющий пентапризму до плоскопараллельной пластинки для другого направления хода световых лучей, перпендикулярного первому направлению хода световых лучей.