Адаптивная оптическая система Советский патент 1984 года по МПК G02B27/00 

Изобретение относится к оптичесКИМ системам, а более конкретно к адаптивным оптическим системам, и может быть использовано при создании приборов с высокой разрешающей спосо ностью. Известна адаптивная оптическая система, включающая корректор волнового фронта, состоящий из отдельных подвижньпс зеркал, датчик волнового фронта и электронно-механическую сис тему, управляющую поочередно каждым подвижнь1м элементом Cl JНедостатком системь является то, что при использовании отдельных подвижных зеркал остаточная ощибка ухуд шает качество изображения, не позволяя приблюкаться к дифракционному пределу. Кроме того, последовательное пере мещение подвижных элементов ухудшает быстродействие системы. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является адапт1гвнал оптическая система, содер жащая телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными привода ми управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, свето делители, канал регистрации скорректи ровайного изображения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и- две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из соединенных последовательно фазового детектора, первого вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны Л-,, расположенный отно сительно искажающ ей среды со стороны наблюдаемого объекта Г 2 3. Известная система компенсирует атмосферные искажения волнового фронта в реальном времени. Однако она производит коррекцию оптической длины пути для всех длин волн одинаково, в то время как искажения волновых поверхностей в данный момент времени для разных длин волн различны, т.е. возникает хроматическое мерцание. Таким образом, устранив в данной системе искажения для излу ения одной длины волны, можно либо недокомпенсировать либо усилить деформацию волновой поверхности для излучения другой длины волны. 1 12 . Цель изобретения - расширение спектрального диапазона работы. Поставленная цель достигается тем, что в адаптивную оптическую систему, содержащую, телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители, канал регистрации скорректированного изображения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из соединенных последовательно фазового детектора, вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны Д , расположенный относительно искажающей среды со Стороны наблюдаемого объекта, введены второй корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одно- или многолинзовых объективов и расположенного между этими объективами дополнительного гибкого зеркала с дискретными приводами и установленный между телескопом и первым корректором, второй опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны расположенный рядом с первым источником, интерференционные фильтры,установленные на выходе каждого из двух интерферометров сдвига и разделяющие потоки излучения с длинами волн Д и Л , две дополнительных матрицы фотоприемников, регистрирующих излучение с длиной волны Л2 , второй фазовый детектор, вход которого соединен с выходами дополнительных матриц фотоприемников, второй вычислитель, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, блок выработки разностных сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн А-, и 2 вход которого подключен к выходам обоих вычислителей, а один из выходов - к усилителям приводов дополнительного гибкого зеркала, а также блок вьфаботки сигналов, пропорциональньк деформациям дополнительного гибкого зеркала, вход котоого соединен с вторым выходом указанного блока выработки разностных сигналов, а выход - с .входом вновь введенного сумматора, причем первый вычислитель связан с усилителями приводов и механизма общего наклона основного гибкого зеркала через указанный сумматор, второй корректор волнового фронта выполнен анаберрационным, а каждый из входящих в него объективов обладает хроматической аберрацией положения. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемой системы. Адаптивная оптическая система включает два точечных источника 1 и 2 монохроматического излучения с длинами волн Л и j , расположенных относительно искажающей среды 3 Со стороны наблюдаемого объекта, телескоп, состоящий из объектива А и входного коллиматора 5, дополнительный корректор волнового фронта, вьшолненный в виде системы из двух одно- или многолинзовых объективов 6 и 7 и расположенного между этими объективами гибкого зеркала 8 с дискретными приводами управления формой его поверхности, основной корректор волнового фронта, выполненный в виде гибкого зеркала 9 с дискретными приводами и механизмом общего наклона, светоделители 10 - 12 (последний выполнен полностью отражающим), канал регистрации скорректированного изображения, состоящий из выходного коллиматора 13 и регистратора 14, датчик волнового фронта, состоящий из двух интерферометров 15 и 16 вертикального и горизонтального сдвига интерференционных фильтров 17 и 18, разделяющих потоки излучения с длина ми волн Д. и Д и четырех матриц фотоприемников 19 - 22, а также устрой ство управления приводами гибких зер кал 8 и 9, которое включает два фазовых детектора 23 и 24, два вычислителя 25 и 26, блок 27 выработки сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Д и Л , блок 28 выра ботки сигналов, пропорциональных де формациям дополнительного гибкого зеркала 8, сумматор 29, усилители 30 дискретных приводов зеркала 8 и усилители 31 дискретных приводов и механизма общего наклона зеркала 9. При этом матрицы фотоприемников 19 и 20, регистрирующие излучение с дл ной волны Л , подключены к основно му фазовому детектору 23, а матрицы 21 и 22, регистрирующие излучение с длиной волны А2 - к дополнительному детектору 24. На входы каждого из фазовых детекторов подаются, кроме того, опорные сигналы от обоих интерферометров 15 и 16 сдвига. Выходы детекторов 23 и 24 соединены в свою очередь с входами основного 25 и дополнительного 26 вычислителей соответственно. Выходы обоих вычислителей 25 и 26 подключены к блоку 27, сигнал с которого подается на усилители 30 приводов гибкого зеркала 8 и на блок 28. Выход этого блока, также как и второй выход вычислителя 25 подключен к входу сумматора 29, сигнал с которого подается на усилители 31 приводов и механизма общего наклона зеркала 9. При отсутствии деформации зеркала 8 у дополнительного корректора волнового фронта, включающего элементы 6, 8 и 7, скомпенсированы хроматическая и сферическая аберрации и сведены к минимуму кома и аберрации высших порядков в пределах поля зрения адаптивной системы. В то же время каждый из объективов 6 и 7 в отдельности обладает хроматической аберрацией положения, величина которой не меньше хроматических искажений, вызванных турбулентной средой 3. Предлагаемая система работает следующим образом. Пучок света от объекта вместе с излучением опорных иЬточников 1 и 2 на длинах волн Д и 2 после прохождения через объектив 4 телескопа коллимируется системой 5 и направляется на корректор волнового фронта, состоящий из двух линз 6 и 7 и двух деформируемых зеркал 8 и 9. После отражения от зеркала 9 светоделитель 10 направляет часть светового пучка на датчик волнового фронта, а остальная часть излучения проходит через выходной коллиматор 13 и формирует скорректированное изображение объекта на регистраторе 14. Система первой 6 и второй 7 линз с дополнительным зеркалом 8 компенсирует разность искажений волновых поверхностей для двух длин полн Д и При отсутствии цветового мерцания, а следовательно, при недеформнрованном дополнительном зеркале 8 дисперсия светового пучка в первой линзе 6 компенсируется дисперсией пучка во второй линзе 7. Монохроматические искажения формы волновой поверхности устраняются в этом случае осно ным зеркалом 9. При наличии цветовых искажений (для двух длин волн) оптическая система, состоящая из линзы 6 зеркала 8 и линзы 7, компенсирует эт искажения, оставляя нескомпенсирован ными искажения, одинаковые для обеих длин волн. Остаточные искажения устр няются в свою очередь основным зеркалом 9. Прохождение любого узкого пучка (диаметр которого во много раз меньше диаметров обоих линз) че рез линзу эвивалентно в первом приближении прохождению этого пучка чере призму с преломляющим углом, равным углу между плоскостями, касательными в точках входа и выхода данного светового пучка. Ориентация данного эквивалента призмы относительно оптической оси адаптивной системы и величина его преломляющего угла на линзе 7 меняют ся при отклонении зеркалом 8 любого узкого пучка лучей на угол В от первоначального напр$)5ения до деформации. Деформация дополнительного зеркала 8 приводит к изменению направления и величины дисперсии узкого пучка лучей при прохождении его через линзу 7 (как следствие изменения положения эквивалента призмы и величины его преломляющего угла). Эт в свою очередь приводит к результирующей дисперсии системы первой 6 и второй 7 линз и зеркала 8, величина и направление которой зависят от величины & и ориентации этого угла относительно оптической оси системы. При этом направление результирующей дисперсии может быть любым относител но направления рассматриваемого тонкого пучка. В корректоре с одиночными линзами в ряде случаев нельзя устранить его собственные аберрации (особенно вторичный спектр и аберрации высших порядков) до дифракционного предела. Тогда отдельные линзы необходимо зам нить группами линз,причем каждая группа линз должна иметь хроматическую аберрацию положения. В остальном работа мн.оголинзового корректора ана логична работе корректора с одиночными линзами. Искажения волновых поверхностей измеряются с помощью интерферометров 15 и 16 сдвига. Устройство управления приводами вырабатывает сигналы, по которым производится коррекция 1 126 волновых фронтов для излучения с длинами волн Д и 2 путем соответствующих деформаций зеркал 8 и 9. Оно работает в реальном времени по сигналам, поступающим с матриц фотоприемников 19-22 (перед которыми могут быть установлены дополнительные светофильтры, отрезающие мешающее излучение) , и по сигналам с постоянной фазой от опорных каналов интерфёпометров 15 и 16. Излучение с длиной волны Л на выходе интерферометра проходит через интерференционные светофильтры 17 и 18 и попадает на матрицы фотоприемников 19 и 20, а излучение с длиной волны 2 отражается этими светофильтрами, попадая на матрицы фотоприемников 21 и 22. Таким образом, матрицы фотоприемников 19 и 20 вьщают сигналы об искажениях волнового фронта на длине волны Я-, , а матрицы фотоприемников 21 и 22 - об искажениях волнового фронта на длине волны , Фазовый детектор 23 и вычислитель 25 при этом вырабатывают сигналы, пропорциональные искажениям волнового фронта с длиной волны Д и сигналы общего наклона волнового фронта на поверхности основного зеркала 9. Идентичные по устройству фазовый детектор 2А и вычислитель 26 в свою очередь вьграбатывают сигналы, пропорциональные искажениям волнового фронта из лучения с длиной волны Л, на поверхности зеркала 9. С выходов вычислителей 25 и 26 сигналы, пропорциональные искажениям волновых поверхностей, поступают на блок 27, который вьфабатывает сигналы, пропорциональные разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Д и из поверхности зеркала 8. С выходов устройства 27 сигналы поступают через усилители 30 на соответствующие приводы зеркала 8, участки которого, деформируясь, устраняют разность искажений между волновыми поверхностями излучений с длинами волн / 2 -1 Система работает по принципу отрицательной обратной связи. Устройство 27 вьфабатьшает сигнал, управляющий зеркалом 8, в результате деформации которого устраняются различия в искажениях волновых фронтов для длин волн А и 2 Одновременно зеркалом 9 устраняются искажения волновой поверхности Д-, (т.е.

АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, содержащая телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители; канал регистрации скорректированного изображения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из соединенных последовательно фазового детектора, первого вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны Д , расположенньй относительно искажающей среды со стороны наблюдаемого объекта, отличающаяс я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона работы, в нее введены второй корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одно- или многолинзовых объективов и расположенного между этими объективами дополнительного гибкого зеркала с дискретными приводами и установленный между телескопом и первым корректором, второй опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны , расположенный рядом с первым источником, интерференционные фильтры, установленные на выходе каждого из двух интерферометров сдвига и разделяющие потоки излучения с длинами волн i, и 2 Дз дополнительные матрицы топриемников, регистрирующих излучение с длиной волны 2 второй фазовый детектор, вход которого соединен с выходами дополнительных матриц фотоприемников, второй вычислитель, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, блок выработки (Л разностных сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Д и вход которого подключен к выходам обоих вычислителей, а один из выходов - к :усилителям приводов дополнительного гибкого зеркала, а также блок вьфаботки сигналов, пропорциональных дефорсо мациям дополнительного гибкого зер4 кала, вход которого соединен с втор. выходом указанного блока выработки разностных сигналов, а выход - с ю входом вновь введенного сумматора, причем первый вычислитель связан с усилителями приводов и механизма общего наклона основного гибкого зеркала через указанный сумматор, второй корректор волнового фронта выполнен анаберрационным, а каждый из входящих в него объективов обладает хроматической аберрацией положения.