ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЮСТИРОВКИ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ОБЪЕКТИВОВ
INTERFEROMETRIC METHOD FOR ADJUSTMENT OF THREE-COMPONENT LENSES

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к способам юстировки оптических систем, и может быть использовано при изготовлении и сборке трехкомпонентных осесимметричных объективов.
Основной задачей юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов является минимизация суммарной деформации волнового фронта объектива в каждой точке поля зрения.
Суммарные деформации волнового фронта в каждой точке поля в автоколлимационной контрольной схеме определяются расчетными значениями аберраций, аберрациями, вызванными децентрировкой компонентов и аберрациями поверхностей оптических элементов.
Компенсация аберраций поверхностей оптических систем подробно рассматривается в [1].
Настоящее изобретение посвящено минимизации аберраций, вызванных децентрировкой оптических компонентов.
Известен способ юстировки осесимметричных трехзеркальных объективов с использованием интерферометрии, описанный в работе [2]. Способ включает предварительную сборку главного и вторичного зеркала с последующей юстировкой вторичного зеркала относительно оси главного зеркала. Далее предполагается установка третичного зеркала с последующей его юстировкой относительно системы главное-вторичное зеркало. Юстировка вторичного зеркала возможна в двух схемах: в автоколлимационной схеме, основанной на применении голограммных элементов, нанесенных на главном зеркале, и в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом.
Проблемой данного способа является то, что в ходе юстировки для первой схемы контроля положения вторичного зеркала относительно оси главного зеркала необходимо отдельно наносить на поверхность главного зеркала голограммный компонент, компенсирующий осесимметричные аберрации, а в схеме контроля с плоским автоколлимационным зеркалом сферическая аберрация по всему полю, астигматизм в полевых точках не скомпенсированы, что не позволяет расшифровывать интерферограммы на краевых полевых точках, на которых достаточная чувствительность.
Наиболее эффективными с точки зрения простоты выполнения операций юстировки и минимального использования специально разработанных дополнительных элементов являются способы юстировки, определяющие децентрировку элементов объектива относительно оси, совпадающей с осью главного зеркала по результатам интерферометрического контроля объектива, с последующей коррекцией положения элементов относительно своего начального положения. Коррекцию положения элементов относительно своего начального положения можно выполнить с более высокой точностью, чем установку элементов относительно дистанционно расположенных баз, что является значительным преимуществом таких методов.
Таким решением является известный способ юстировки осесимметричных двухзеркальных систем [Пат. РФ №2561018, МПК G02B 07/198, приор. 20.08.2015], взятый нами за прототип. Он включает предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения с плоским зеркалом его наклоном при установке фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива, анализ волнового фронта объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в двух расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения, расчет по определенным синусным и косинусным составляющим аберрационных коэффициентов Цернике - астигматизма и комы, вызванных децентрировкой, наклона и смещения вторичного асферического зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала, изменение положения 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, анализ волнового фронта объектива в центре поля зрения, определение аберрационного коэффициента сферической аберрации третьего порядка и расчет по его значению осевого смещения вторичного зеркала относительно исходного положения, осуществление осевого перемещения вторичного зеркала на обратную рассчитанному осевому смещению величину.
Способ основан на том факте, что в симметричных точках поля осесимметричной центрированной оптической системы аберрационные коэффициенты астигматизма третьего порядка должны быть одинаковы, а аберрационные коэффициенты комы третьего порядка равны по модулю, но противоположны по знаку.
По асимметрии комы и астигматизма третьего порядка определяют линейную и угловую децентрировку вторичного зеркала и производят их коррекцию.
Исправление сферической аберрации производят изменением межзеркального расстояния.
Способ работает следующим образом.
Объектив предварительно собирают по геометрическим конструктивным базам. Совмещают фокальную точку интерферометра с осью главного зеркала и устанавливают ее в фокальной плоскости (способы совмещения и установки известны). Получают интерферограмму объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом. Анализируют волновой фронт в центре и в симметричных точках поля зрения. По результатам анализа рассчитывают угловую и линейную децентрировку вторичного зеркала относительно оси главного зеркала по формулам
где  - косинусные и синусные составляющие коэффициентов астигматизма третьего порядка в симметричных точках поля w, дл. волн.,
- косинусные и синусные составляющие коэффициентов комы третьего порядка в симметричных точках поля w, дл. волн.,
d, е - коэффициенты пропорциональности, мкм/ дл. волн;
f, g - коэффициенты пропорциональности, угл. сек./дл. волн;
х
у
Δ, Δ - смещение вторичного зеркала по осям X, Y, мкм;
х
у
ϕ, ϕ - наклон вторичного зеркала вокруг осей X, Y, угл. сек.
Затем изменяют линейное и угловое положение вторичного зеркала от исходного на рассчитанные величины с обратным знаком.
По значению сферической аберрации четвертого порядка в центре поля рассчитывают и изменяют межзеркальное расстояние до достижения сферической аберрации расчетного значения.
Следует отметить, что операция установки фокальной точки интерферометра на ось главного зеркала не требует такой же точности, как установка относительного положения осей зеркал. Ошибка установки фокальной точки интерферометра на ось главного зеркала приводит к наклону плоскости изображения, что в большинстве случаев не имеет значения, тогда как суммарные ошибки системы по этому способу практически полностью устраняются юстировкой вторичного зеркала.
Нами в процессе исследования показано, что этот вывод распространяется и на трехкомпонентные системы (трехзеркальных и двухзеркальных объективов с линзовыми компенсаторами).
Способ, принятый нами за прототип, позволяет с высокой точностью совместить ось вторичного зеркала с осью главного зеркала.
К сожалению, к проблемам способа можно отнести его применимость только при центрировке двухзеркальных объективов (приведенные уравнения симметрии аберрационных коэффициентов комы и астигматизма позволяют определить четыре переменных, что соответствует четырем степеням свободы вторичного зеркала: двум угловым и двум линейным). При юстировке трехкомпонентной схемы, суммарно имеющей восемь степеней свободы вторичного и третичного зеркал или вторичного зеркала и компенсатора (четыре угловых и четыре линейных), требуется не менее восьми независимых уравнений.
Симметрия коэффициентов комы и астигматизма третьего порядка сохраняется и в случае трехкомпонентного объектива, однако получить восемь независимых уравнений с их использованием невозможно.
Увеличение числа уравнений простым увеличением, например, симметричных точек контроля по полю зрения, не решает задачи, поскольку астигматизм и кома третьего порядка изменяются линейно с изменением децентрировки [3]. Из-за этого система уравнений получается несовместной [4], что не позволяет определить смещение второго и третьего компонента по восьми координатам.
Задачей разработки способа является расширение номенклатуры юстируемых объективов на трехкомпонентные осесимметричные объективы (трехзеркальные объективы и двухзеркальные объективы с линзовыми компенсаторами).
Поставленная задача достигается тем, что в интерферометрическом способе юстировки трехкомпонентных осесимметричных объективов, включающем предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения с плоским зеркалом при установке фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива, анализ волнового фронта объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения, расчет линейных и угловых децентрировок компонентов, юстировку объектива изменением угловых и линейных положений компонентов объектива относительно исходного положения на величину, обратную рассчитанным децентрировкам, новым является то, что с целью расширения номенклатуры юстируемых объективов на трехкомпонентные осесимметричные оптические системы, плоское автоколлимационное зеркало устанавливают перпендикулярно оси главного зеркала, автоколлимационное изображение в центре поля зрения получают юстировкой вторичного зеркала, дополнительно определяют коэффициенты дефокусировки на симметричных краях поля зрения по двум ортогональным координатам, рассчитывают децентрировки второго и третьего компонентов с учетом того, что сумма вызванных децентрировкой компонентов линейных смещений автоколлимационного изображения по двум координатам в центральной точке поля равна нулю, после чего компенсируют децентрировки компонентов при помощи линейного и углового смещения с обратным знаком.
На фиг.1 приведена схема трехзеркального объектива, юстировка которого проводилась с использованием предложенного способа, где главное зеркало 1, вторичное зеркало 2, третичное зеркало 3, плоское автоколлимационное зеркало 4, интерферометр 5, теодолит 6, линейные индикаторы 7, контрольные элементы 8, фланец 9, ферма для установки вторичного и третичного зеркал 10, юстировочное устройство 11.
На фиг.2 приведены сгенерированные интерферограммы объектива после предварительной сборки по геометрическим базам.
На фиг.3 приведены сгенерированные интерферограммы объектива после устранения децентрировки вторичного и третичного зеркал по одной координате.
На фиг.4 приведены сгенерированные интерферограммы объектива после юстировки по второй координате.
Способ работает следующим образом.
Вначале автоколлимационное плоское зеркало выставляют перпендикулярно оси главного зеркала по марке при помощи визирной трубы или теодолита. Например, положение оси главного асферического зеркала определяют и фиксируют с помощью дополнительной марки [5].
Производят установку и предварительную юстировку вторичного зеркала.
Методы предварительной сборки известны, например, [6].
Затем устанавливают фокальную точку интерферометра на ось главного зеркала в фокальной плоскости объектива. Операции по установке известны, например, [7].
Производят установку и предварительную юстировку линзового компенсатора или третичного зеркала.
После сборки объектива и установки интерферометра и плоского автоколлимационного зеркала линейным смещением вторичного зеркала получают автоколлимационное изображение интерференционной картины в центре поля зрения. Затем формируют и регистрируют интерференционные картины на симметричных точках поля зрения по двум координатам.
Наши исследования показали, что наибольшую чувствительность при определении децентрировок второго и третьего компонентов можно получить при использовании для расчета следующих параметров, имеющих линейную зависимость от децентрировки [3]:
- аберрационный коэффициент комы третьего порядка центральной точки поля;
- аберрационный коэффициент астигматизма третьего порядка в симметричных точках поля;
- аберрационный коэффициент дефокусировки в симметричных точках поля;
- смещение фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала.
Комбинации с использованием других аберрационных коэффициентов возможны, но имеют меньшую чувствительность.
При рассмотрении зависимости между децентрировками и аберрационными коэффициентами предполагается, что смещение компонентов производится поперек оси главного зеркала, а развороты зеркал вокруг вершины (при третьем компоненте в виде линзового компенсатора - вокруг осевой точки главной плоскости).
Уравнения, связывающие децентрировки и аберрационные коэффициенты, приведены для одной поперечной координаты. Для определения децентрировок выбраны симметричные краевые точки поля, где влияние децентрировок на аберрационные коэффициенты максимально.
Для второй координаты уравнения аналогичны.
Определение децентрировок вторичного зеркала и третьего компонента производят с использованием формул
2
где Δ - линейная децентрировка вторичного зеркала, мкм;
2
δ - наклон вторичного зеркала вокруг вершины, угл. сек.;
3
Δ - линейная децентрировка третьего компонента, мкм;
3
δ - наклон третьего компонента, угл. сек.;
ω+
ω-
А, A - значения аберрационных коэффициентов астигматизма на симметричных краях поля, дл. волн;
w0
C - значение аберрационного коэффициента комы в центре поля зрения, дл. волн;
ω+
ω-
D, D - значения аберрационных коэффициентов дефокусировки на симметричных краях поля, дл. волн;
L=0 - смещение фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала, мм;
Q - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку вторичного зеркала с асимметрией астигматизма на краях поля зрения, дл. волн/мкм;
W - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку вторичного зеркала с асимметрией астигматизма на краях поля зрения, дл.волн/угл.сек.;
Е - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку третьего компонента с асимметрией астигматизма на краях поля зрения, дл.волн/мкм;
R - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку третьего компонента с асимметрией астигматизма на краях поля зрения, дл.волн/угл.сек.;
Т - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку вторичного зеркала с комой, дл.волн/мкм;
Y - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку вторичного зеркала с комой, дл.волн/угл.сек.;
U - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку третьего компонента с комой, дл.волн/мкм;
I - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку третьего компонента с комой, дл.волн/угл.сек.;
О - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку вторичного зеркала с асимметрией дефокусировки на краях поля зрения, дл.волн/мкм;
Р - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку вторичного зеркала с асимметрией дефокусировки на краях поля зрения, дл.волн/угл.сек.;
G - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку третьего компонента с асимметрией дефокусировки на краях поля зрения, дл.волн/мкм;
Н - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку третьего компонента с асимметрией дефокусировки на краях поля зрения, дл.волн/угл.сек;
J - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку вторичного зеркала со смещением фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала, мм;
K - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку вторичного зеркала со смещением фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала, мм;
Z - весовой коэффициент, связывающий линейную децентрировку третьего компонента со смещением фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала, мм;
X - весовой коэффициент, связывающий угловую децентрировку третьего компонента со смещением фокальной точки объектива интерферометра относительно оси главного зеркала, мм.
Расчет весовых коэффициентов влияния линейной и угловой децентрировки вторичного зеркала и третьего компонента на аберрационные коэффициенты дефокусировки, комы, астигматизма, на смещение фокальной точки производят с использованием расчетных оптических программ, например, Zemax.
2
2
3
3
Корни системы уравнений Δ, δ, Δ, δ определяют с использованием детерминанта.
После определения значений линейной и угловой децентрировки вторичного зеркала и третьего компонента производят их линейное и угловое смещение на рассчитанные значения с обратным знаком.
Затем проводят аналогичные операции для определения и коррекции децентрировок компонентов по второй оси.
В трехкомпонентных схемах устранение сферической аберрации производят изменением межзеркального расстояния между главным и вторичным зеркалами. Допуск на межзеркальное расстояние между вторичным зеркалом и третьим компонентом достаточно свободный и обеспечивается известными методами. Определение отклонения межзеркального расстояния между вторичным и главным зеркалом производят по отклонению значения сферической аберрации в центре поля от расчетного в расчетной программе (Zemax).
Пример конкретной реализации юстировки трехзеркального объектива (Фиг. 1) с относительным отверстием 1:4 и фокусным расстоянием F=2000 мм. Весовые коэффициенты влияния децентрировок, определенные в соответствии с формулами (1) в программе Zemax, приведены в таблице 1.
Весовые коэффициенты рассчитаны для линейного смещения Δ=100 мкм, углового смещения δ=1 угл. мин.
Сгенерированные интерферограммы по измеренным аберрационным коэффициентам в центре и в симметричных точках поля, полученным после предварительной юстировки по геометрическим базам, приведены на Фиг. 2.
Измеренные аберрационные коэффициенты в центре и на симметричных точках поля приведены в таблице 2.
С использованием весовых коэффициентов и измеренных аберраций в центре и в симметричных точках поля составлены две системы уравнений для каждой координаты в соответствии с формулами (1):
2х
2x
3х
3х
2
2
3
3
Первая система имеет корни уравнений Δ=-4,29; δ=3,6; Δ=-1,24; δ=3, что соответствует децентрировкам по координате X вторичного зеркала Δ=-0,429 мм, δ=3,6 угл. мин. и третичного зеркала Δ=-0,124 мм; δ=3 угл.мин.
2y
2y
3у
3у
2
2
3
3
Вторая система имеет корни уравнений Δ=2,13; δ=-2,30; Δ=3,74; δ=-4,77, что соответствует децентрировкам по координате Y вторичного зеркала Δ=-0,213 мм, δ=-2,30 угл.мин. и третичного зеркала Δ=0,374 мм; δ=-4,77 угл.мин.
При юстировке смещают и наклоняют вторичное и третичное зеркала на рассчитанные значения с обратным знаком.
Расшифровка полученных интерферограмм показала отсутствие аберрации комы третьего порядка в центре поля зрения и симметрию аберрационных коэффициентов астигматизма третьего порядка и дефокусировки в симметричных точках поля. Интерферограммы, сгенерированные по полученным аберрационным коэффициентам, в центре и в симметричных точках поля после коррекции децентрировок по двум координатам приведены на Фиг. 3,4.
Заявляемый способ предполагают использовать при окончательной юстировке трехкомпонентных объективов.
Литература
1. Оптимальная компенсация погрешностей изготовления астрономических зеркал юстировкой телескопа, И.П. Агурок, В.А. Зверев, С.А. Родионов, М.Н. Сокольский, В.В. Усоскин, ОМП, 1980, №7.
2. Некоторые проблемы юстировки телескопов, С.А. Родионов, А.Г. Серегин, А.П. Смирнов, Оптический журнал, №10, 1995 г.
3. Губель Н.Н. Аберрации децентрированных оптических систем, Машиностроение, 1975, с. 271.
4. Конев В.В. Линейная алгебра. Учебное пособие. - Томск. Изд. ТПУ. 2008 - 65 стр.
5. Вензель В.И., Семенов А.А., Синельников М.И. Интерференционный способ определения положения оси асферической поверхности и устройство для его осуществления// Патент России. №2017127453. 2018.
6. Вензель В.И., Данилов М.Ф., Савельева А.А., Семенов А.А., Синельников М.И., Границы применимости методов сборки и юстировки осесимметричных двухзеркальных объективов с асферическими зеркалами, Оптический журнал, №4, 2019 г.
7. Вензель В.И., Семенов А.А. Юстировка зеркально-линзового объектива с эксцентрично расположенным зраком для инфракрасного диапазона спектра, Оптический журнал, №5, 2021 г.