УСТРОЙСТВО ЮСТИРОВКИ ДВУХЗЕРКАЛЬНОЙ ЦЕНТРИРОВАННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к области оптико-механического приборостроения и может быть использована при юстировке в процессе сборки, контроле и аттестации параметров оптических приборов, имеющих два и более оптических канала, содержащих двухзеркальные центрированные оптические системы, а также в процессе их эксплуатации.
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 [1], которое может быть применимо для юстировки оптических систем как телескопа Кассегрена, так и телескопа Ричи-Кретьена.
э
В известном устройстве вспомогательными оптическими элементами являются сферическая лунка, нанесенная в центральной зоне отражающей поверхности вторичного зеркала, с центром кривизны в эквивалентном фокусе F' 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.
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.
Известно устройство юстировки двухзеркальных центрированных оптических систем [2]. 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 котировочных, 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.
Известно устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы [3], 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 котировочные 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, при этом обе котировочные синтезированные голограммы выполнены на отражающей поверхности вторичного зеркала, преимущественно в его краевой зоне, общая оптическая ось осевых котировочных синтезированных голограмм совмещена с оптической осью вторичного зеркала, в центральном отверстии главного зеркала установлена диафрагма с отверстием, центр которого совмещен с вершиной отражающей поверхности главного зеркала и задним фокусом фокусирующего объектива, 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, отверстие диафрагмы выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия do=2,44f'λ/D, где do - диаметр круглого отверстия диафрагмы, D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива, λ - длина волны излучения монохроматического источника света, каждая из двух котировочных синтезированных голограмм выполнена в виде пары диаметрально противоположных частей соответствующих круговых колец, причем эти пары развернуты друг относительно друга под определенным углом, например 90°, а распределение радиусов середин кольцевых зон в структурах котировочных синтезированных голограмм определяется условиями:
1,m
2
m
2
m
1
2
m
1,m
2,m
1
2
Δl[ρ(x-d),y(x-d),d]=λ - для голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно, Δl,[ρ(x-d),y(x),y(x-d),d]=λ - 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 - разность хода между осевым лучом и лучом, соответствующим середине m-й зоны голограммы, формирующей автоколлимационное изображение точечного источника света непосредственно; Δl - 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; y(x) и у(х-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.
Существенным недостатком данного устройства является невозможность его применения для юстировки широко используемых на аэродромах лазерных датчиков облачности, содержащих расположенные на одной базовой оптической оси передающий и приемный каналы, построенные на двухзеркальных телескопических системах или комбинацией двухзеркальной телескопической и линзовой систем [4, 5, 6].
Это ограничение связано с необходимостью изготовления специальных осевых отражательных голограмм на вторичном зеркале оптической системы юстируемых датчиков и максимального увеличения свободы перемещения вторичного зеркала, что значительно усложняет конструкцию и ухудшает массогабаритные характеристики датчиков и удорожает их производство.
Наличие осевых отражательных голограмм на вторичном зеркале повышает коэффициент экранирования двухзеркальной телескопической системы, что снижает дальность работы лазерных датчиков облачности.
Кроме того, в известном устройстве не обеспечено центрирование и согласование оптических осей обоих фокусирующих объективов с оптической осью коллиматора, светоделителя и юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, что затрудняет его техническую реализацию без дополнительных элементов и вспомогательных устройств и приводит серьезным ошибкам юстировки.
1
1
и
2
2
и
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы [7], состоящей из главного зеркала и вторичного зеркала, центрированного в базовой трубе этой системы, содержащее монохроматический источник света и последовательно установленные по ходу оптического луча мира с центральным перекрестием, коллиматор, светоделитель, выполненный в виде призмы-куба с полупрозрачным слоем, для формирования опорной и рабочей ветвей, установленные в рабочей ветви по ходу оптического луча первый фокусирующий объектив и диафрагма с круглым центральным отверстием, вторая диафрагма с круглым центральным отверстием, второе плоское зеркало и второй монохроматический источник света, последовательно установленные в опорной ветви перпендикулярно к световым лучам, распространяющимся от светоделителя, плоское опорное зеркало, выполненное в виде нанесенного отражающего покрытия на поверхности грани светоделителя со стороны опорной ветви, второй фокусирующий объектив, расположенное в его заднем фокусе позиционно чувствительное фотоприемное устройство и подключенный к его выходу блок отображения и обработки информации, причем мира выполнена в виде стеклянной плоскопараллельной пластины, а центр ее перекрестия расположен на одной оптической оси по ходу оптического луча в переднем фокусе объектива коллиматора, вторая диафрагма установлена соосно в центральное отверстие базовой трубы со стороны, противоположной вторичному зеркалу, так, что центр ее отверстия совмещен с осью базовой трубы, второй монохроматический источник света выполнен в виде лазерной «указки», объединен со второй диафрагмой в один узел и центрирован относительно ее оси, отражающая поверхность плоского зеркала обращена к отражающей поверхности главного зеркала и перпендикулярна к оси этой трубы, первый фокусирующий объектив и первая диафрагма объединены в один узел, установленный в центральном отверстии главного зеркала и центрированный так, что оптическая ось первого фокусирующего объектива совмещена с геометрической осью первой диафрагмы и перпендикулярна плоскости первой диафрагмы, задний фокус первого объектива совмещен с центром первой диафрагмы и с эквивалентным фокусом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, причем отверстие первой диафрагмы выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия d=2.44f'λ/D, где d - диаметр круглого отверстия диафрагмы, D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние первого фокусирующего объектива, λ - длина волны излучения монохроматического источника света, а диаметр отверстия второй диафрагмы определяется соотношением d=d⋅f'/(f'+L), где d - диаметр круглого отверстия второй диафрагмы, d - минимальный диаметр изображения отверстия этой диафрагмы, ограниченный разрешающей способностью фотоприемного устройства, L и f' - соответственно расстояние от центра отверстия второй диафрагмы до узловой точки второго фокусирующего объектива и его фокусное расстояние.
Существенным недостатком данного устройства является значительное число оригинальных элементов в его оптической схеме, достаточно высокая трудоемкость их изготовления и юстировки, что определяет низкую технологичность и надежность юстировки известных двухзеркальных центрированных оптических систем, в том числе и лазерных датчиков облачности, содержащих расположенные на одной базовой оптической оси передающий и приемный каналы, построенные на двухзеркальных телескопических системах или комбинацией двухзеркальной телескопической и линзовой систем [4, 5, 6]. При том известное устройство ограничено возможностью юстировки только двухзеркальной части известных центрированных оптических систем и не обеспечивает возможность юстировки приемного канала с базовой оптической осью системы.
Следует также отметить, что двухзеркальные центрированные оптические системы имеют нерабочую зону за счет виньетирования апертуры главного зеркала конструкцией вторичного зеркала, что позволяет изготавливать вторичное зеркало этих оптических систем с центральным отверстием.
Основной задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение числа элементов оптической схемы устройства юстировки, повышение технологичности, снижения трудоемкости и стоимости устройства юстировки и расширение его функциональных возможностей при сборке и юстировке известных центрированных оптических систем, а также контроля в процессе их эксплуатации.
1
1
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы, которое, как и прототип, состоит из главного зеркала, вторичного зеркала и фотоприемного устройства, центрированных в базовой трубе этой системы, и содержит первый и второй монохроматические источники света, последовательно установленные по ходу оптического луча фокусирующий объектив и первую диафрагму с круглым центральным отверстием, вторую диафрагму с круглым центральным отверстием, плоское зеркало, отражающая поверхность которого обращена к отражающей поверхности главного зеркала и перпендикулярна к оси базовой трубы, при этом фотоприемное устройство установлено соосно в базовой трубе юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы со стороны противоположной установки вторичного зеркала, второй монохроматический источник света выполнен в виде лазерной «указки», объединен со второй диафрагмой в один узел и центрирован относительно ее оси, фокусирующий объектив и первая диафрагма объединены в один узел, установленный в центральном отверстии главного зеркала и центрированный так, что оптическая ось первого фокусирующего объектива совмещена с геометрической осью первой диафрагмы и перпендикулярна плоскости первой диафрагмы, задний фокус объектива совмещен с центром отверстия первой диафрагмы и с эквивалентным фокусом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, причем отверстие первой диафрагмы выполнено круглым, минимальный диаметр которого определяется из условия d=2.44f'λ/D, где d - диаметр круглого отверстия диафрагмы, D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива, λ - длина волны излучения первого монохроматического источника света.
o
вт
вт
oo
o
вт
oo
и
2
2
и
В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены первая и вторая автоколлимационные трубы, третий монохроматический источник света и вольтметр, причем первая автоколлимационная труба расположена на одной оптической оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы по ходу оптического луча перед фокусирующим объективом, вторая автоколлимационная труба расположена на одной оптической оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы по ходу оптического луча со стороны плоского зеркала, первый монохроматический источник света установлен в осветительный канал первой автоколлимационной трубы, образуя с ней единый блок, третий монохроматический источник света установлен в осветительный канал второй автоколлимационной трубы, образуя с ней второй единый блок, вольтметр подключен к выходу фотоприемного устройства, объединенные в один узел второй монохроматический источник света и вторая диафрагма установлены соосно в центральном отверстии вторичного зеркала так, что центр ее отверстия совмещен с оптической осью вторичного зеркала, а ее плоскость перпендикулярна оптической оси вторичного зеркала и обращена в сторону главного зеркала, плоское зеркало выполнено полупрозрачным, вторичное зеркало юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы выполнено с круглым центральным отверстием, диаметр которого определяется из условия d≤2/3⋅(d-d⋅L/F), где d - диаметр круглого отверстия вторичного зеркал, d - диаметр отверстия главного зеркала, L и F - соответственно расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности главного зеркала и фокусное расстояние главного зеркала, диаметр отверстия второй диафрагмы определяется соотношением d=d⋅Fk/(Fk+L), где d - диаметр круглого отверстия второй диафрагмы, d - минимальный диаметр изображения отверстия этой диафрагмы, ограниченный разрешающей способностью автоколлимационной трубы, L и Fk - соответственно расстояние от центра отверстия второй диафрагмы до узловой точки объектива автоколлимационной трубы и его фокусное расстояние.
o
вт
вт
oo
o
вт
oo
и
2
2
и
Сущность полезной модели заключается в том, что благодаря введению первой и второй автоколлимационных труб, третьего монохроматического источника света и вольтметра, причем первую автоколлимационную трубу располагают на одной оптической оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы по ходу оптического луча перед фокусирующим объективом, вторую автоколлимационную трубу располагают на одной оптической оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы со стороны плоского зеркала, первый монохроматический источник света устанавливается в осветительный канал первой автоколлимационной трубы, образуя с ней единый блок, третий монохроматический источник света устанавливается в осветительный канал второй автоколлимационной трубы, образуя с ней второй единый блок, вольтметр подключен к выходу фотоприемного устройства, плоское зеркало выполнено полупрозрачным, объединенные в один узел второй монохроматический источник света и вторая диафрагма устанавливаются соосно в центральном отверстии вторичного зеркала так, что центр ее отверстия совмещен с оптической осью вторичного зеркала, а ее плоскость перпендикулярна оптической оси вторичного зеркала и обращена в сторону главного зеркала, вторичное зеркало юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы выполнено с круглым центральным отверстием, диаметр которого определяется из условия d≤2/3⋅(d-d⋅L/F), где d - диаметр круглого отверстия вторичного зеркала, d - диаметр отверстия главного зеркала, L и F - соответственно расстояние от вершины отражающей поверхности вторичного зеркала до вершины отражающей поверхности главного зеркала и фокусное расстояние главного зеркала, диаметр отверстия второй диафрагмы определяется соотношением d=d⋅Fk/(Fk+L), где d - диаметр круглого отверстия второй диафрагмы, d - минимальный диаметр изображения отверстия этой диафрагмы, ограниченный разрешающей способностью автоколлимационной трубы, L и Fk - соответственно расстояние от центра отверстия второй диафрагмы до узловой точки объектива автоколлимационной трубы и его фокусное расстояние, и их взаимодействием с остальными элементами устройства юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы обеспечивается существенное уменьшение числа элементов в оптической схеме устройства юстировки, использование автоколлимационных методов в процессе юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы и согласования оптических элементов предлагаемого устройства юстировки фотоприемного устройства оптической двухзеркальной центрированной системы, что расширяет функциональные возможности предлагаемой полезной модели, значительно повышает качество и технологичность юстировки, снижаются трудоемкость и стоимость устройства юстировки. При этом уменьшается масса вторичного зеркала двухзеркальной центрированной оптической системы и существенно упрощается конструкция несущей оправы и процесс его центрирования в ней.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - изображена принципиальная оптическая схема предложенного устройства юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы;
1
0
на фиг. 2 - показано расположение автоколлимационного изображения А маркера и изображения А перекрестья основной сетки первой автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр при описании работы устройства при юстировки главного и вторичного зеркал двухзеркальной центрированной оптической системы;
2
0
на фиг. 3 - показано расположение автоколлимационного изображения А маркера и изображения А перекрестья основной сетки второй автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр при описании работы устройства при юстировке фотоприемного утройства двухзеркальной центрированной оптической системы;
3
4
0
на фиг. 4 - показано расположение автоколлимационного изображения А маркера, изображения А отверстия второй диафрагмы и изображения А перекрестья основной сетки первой автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр на этапе процесса согласования оптической оси первого единого блока с базовой осью;
5
0
на фиг. 5 - показано расположение изображения А отверстия диафрагмы 4 («светящаяся» точка) и изображения А перекрестья основной сетки первой автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр на этапе предварительной центровки оптической оси главного зеркала с базовой осью;
6
0
на фиг. 6 - показано расположение автоколлимационного изображения А маркера и изображения А перекрестья основной сетки первой автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр на этапе согласования положения главного и вторичного зеркал с базовой осью;
7
8
0
на фиг. 7 - показано расположение автоколлимационного изображения А маркера второй автоколлимационной трубы, и изображения A отверстия второй диафрагмы («светящаяся» точка) и изображения А перекрестья основной сетки второй автоколлимационной трубы, наблюдаемые через ее окуляр на этапе процесса согласования оптической оси второго единого блока с базовой осью.
Предлагаемое устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы содержит первый монохроматический источник света 1 (фиг. 1) и расположенные на одной оптической оси по ходу оптического луча первую автоколлимационную трубу 2, фокусирующий объектив 3 (фиг. 1) и первую диафрагму 4 с центральным отверстием, юстируемое вторичное зеркало 5, центрированное в базовой трубе 6, юстируемое главное зеркало 7, плоское зеркало 8, вторую диафрагму 9 с центральным отверстием и второй монохроматический источник света 10, юстируемое фотоприемное устройство 11, установленное соосно в базовой трубе 6 со стороны противоположной установки вторичного зеркала 5, подключенный к выходу фотоприемного устройства 11 вольтметр 12, третий монохроматический источник света 13, установленный в осветительный канал второй автоколлимационной трубы 14 и образующий с ней второй единый блок.
При этом оптическая ось первой автоколлимационной трубы 2 совмещена с оптической осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, вторая автоколлимационная труба 14 расположена на одной оптической оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы против хода оптического луча со стороны плоского зеркала 8, фокусирующий объектив 3 и первая диафрагма 4 объединены в один узел, установленный соосно в центральном отверстии главного зеркала 7, и центрированы таким образом, что оптическая ось фокусирующего объектива 3 совмещена с геометрической осью первой диафрагмы 4 и перпендикулярна плоскости первой диафрагмы 4, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом объектива 3 и с эквивалентным фокусом F0 (фиг. 1) юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, вторая диафрагма 9 и второй источник света 10 собраны во второй единый узел таким образом, что оптическая ось второго источника света 10 совпадает с осью вращения второй диафрагмы 9, установленной соосно в центральном отверстии вторичного зеркала 5 юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы.
o
вт
вт
oo
o
oo
и
2
2
и
Плоское зеркало 8 выполнено полупрозрачным и установлено перпендикулярно к базовой оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы (например, к торцу базовой трубы 6), вторичное зеркало 5 юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы выполнено с круглым центральным отверстием, диаметр которого определяется из условия d≤2/3⋅(d-d⋅L/F), где d - диаметр круглого отверстия вторичного зеркала 5, L и F - соответственно расстояние между главным и вторичным зеркалами и фокусное расстояние главного зеркала, а диаметр отверстия второй диафрагмы 9 определяется соотношением d=d⋅Fk/(Fk+L), где d - диаметр круглого отверстия второй диафрагмы 9, d - минимальный диаметр изображения отверстия этой диафрагмы, ограниченный разрешающей способностью автоколлимационной трубы, L и Fk - соответственно расстояние от центра отверстия второй диафрагмы до узловой точки объектива автоколлимационной трубы и его фокусное расстояние.
Фокусирующий объектив 3 выбирают таким, чтобы выполнялось условие f'/D=d/Dвз,
где D и f' - соответственно диаметр входного зрачка и фокусное расстояние фокусирующего объектива 3;
2
1
d - расстояние от вершины O отражающей поверхности вторичного зеркала 5 до центра O отверстия диафрагмы 4, совмещенного с расчетным положением F0 эквивалентного фокуса двухзеркальной центрированной оптической системы.
Dвз - диаметр вторичного зеркала 5.
Устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы работает следующим образом.
1
0
Включают монохроматический источник света 1 (фиг. 1), рабочий пучок параллельных световых лучей из первой автоколлимационной трубы 2, несущий изображение маркера автоколлимационной трубы 2, проходит фокусирующий объектив 3, преобразуется им в сходящийся гомоцентрический пучок лучей с центром в его заднем фокусе, формируя промежуточное изображение маркера автоколлимационной трубы 2 в центре отверстия диафрагмы 4, которое совмещено с задним фокусом объектива 3 и эквивалентным фокусом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы F0, и расходящимся гомоцентрическим пучком световых лучей последовательно падает на отражающую поверхность вторичного зеркала 5, а за тем на отражающую поверхность главного зеркала 7. Последнее формирует из него практически параллельный пучок световых лучей, падающий на плоское зеркало 8. Световые лучи, отразившись от поверхности плоского зеркала 8 в обратном направлении, формируют автоколлимационный световой поток, который последовательно отражаясь сначала от поверхности главного зеркала 7, а затем от поверхности вторичного зеркала 5, преобразуется ими в сходящийся гомоцентрический пучок лучей с центром в эквивалентным фокусе F0 юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, совпадающим с центром отверстия диафрагмы 4 и задним фокусом объектива 3, и сходящимся гомоцентрическим пучком световых лучей поступает на объектив 3. Последний преобразует этот автоколлимационный сходящийся гомоцентрический пучок световых лучей в соответствующий параллельный световой поток, поступающий в автоколлимационную трубу 2, которая формирует автоколлимационное изображение A маркера (фиг. 2) на фоне изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдаемые через ее окуляр.
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
Изображение перекрестия основной сетки автоколлимационной трубы 2 играет роль опорной системы координат XOY при выполнении процесса юстировки двухзеркальной системы. В формировании автоколлимационного изображения А маркера автоколлимационной трубы 2 участвуют отражающие поверхности обоих зеркал юстируемой двухзеркальной системы, что позволяет оценивать качество этих зеркал. При этом по размеру и резкости автоколлимационного изображения А маркера на фоне изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдаемые через ее окуляр, оценивают отклонение от расчетного значения расстояния от заднего фокуса объектива 3, совмещенного с расчетным положением эквивалентного фокуса юстируемой оптической системы, до вершины O2 отражающей поверхности вторичного зеркала 5, а по поперечному смещению автоколлимационного изображения А маркера относительно центра изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2 - суммарную величину децентрировки вторичного зеркала 5 и главного зеркала 7. Продольным смещением вторичного зеркала 5 вдоль базовой оси юстируемой системы добиваются максимального качества автоколлимационного изображения А. Завершения юстировки добиваются путем полного совмещения автоколлимационного изображения A маркера с центром изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы (фиг. 2) посредством угловых поворотов и поперечных подвижек главного зеркала 7 юстируемой системы. В результате вторичное зеркало 5 будет установлено на расчетном расстоянии от заднего фокуса объектива 3, совмещенного с расчетным положением F0 эквивалентного фокуса юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Полное совмещение обоих изображений (автоколлимационного изображения A маркера и изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2) соответствует тому, что двухзеркальная система отъюстирована, а ее оптическая ось совмещена с базовой осью прибора.
2
0
Далее включают монохроматический источник света 13 (фиг. 1), рабочий пучок параллельных световых лучей из второй автоколлимационной трубы 14, несущий изображение маркера автоколлимационной трубы 14 поступает на полупрозрачное плоское зеркало 8. Часть этого светового пучка через полупрозрачное плоское зеркало 8 поступает на входную оптику юстируемого фотоприемного устройства 11, установленного в базовой трубе 6 юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Другая часть этого светового пучка, отразившись в обратном направлении от полупрозрачного плоского зеркала 8, поступает на в автоколлимационную трубу 14, которая формирует автоколлимационное изображение А маркера (Фиг. 3), центр которого совпадает с центром изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдаемые через ее окуляр, что позволяет контролировать стабильность положения автоколлимационной трубы 2. Фотоприемное устройство 11 преобразует поступающий на его объектив световой пучок в электрический сигнал, уровень которого контролируют помощью вольтметра 12, подключенного к выходу фотоприемного устройства 11. Центрирование оптической оси фотоприемного устройства 11 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы добивается путем получения максимального уровня выходного сигнала фотоприемного устройства 11 поперечными перемещениями его в базовой трубе 6. Центрирование оптической оси фотоприемного устройства 11 завершает процесс юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы. До проведения юстировки зеркал 8, 9 и фотоприемного устройства 11 двухзеркальной системы выполняют следующие операции.
Сначала создают первый единый блок из элементов 1, 2 и второй единый блок из элементов 13, 14, которые ориентируют так, чтобы согласовать оптические оси первой автоколлимационной трубы 2 и второй автоколлимационной трубы 14 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Первый фокусирующий объектив 3 и первую диафрагму 4 объединяют в один узел и центрируют, используя известные технологические способы [8], таким образом, что бы оптическая ось первого фокусирующего объектива 3 была совмещена с геометрической осью первой диафрагмы 4 и перпендикулярна плоскости первой диафрагмы 4, центр отверстия которой совмещают с задним фокусом первого объектива 3. Вторую диафрагму 9 и второй источник света 10, выполненный в виде лазерной «указки», объединяют в один узел и центрируют, используя известные технологические способы [8], таким образом, что бы оптическая ось второго источника света 10 совпадала с осью вращения второй диафрагмы 9 и центром ее отверстия. Плоское зеркало 8 устанавливают перпендикулярно к базовой оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы со стороны противоположной вторичному зеркалу (например, к торцу базовой трубы 6).
3
3
4
0
4
и
2
2
и
4
0
4
3
0
Далее извлекают объединенные в один узел фокусирующий объектив 3 и первую диафрагму 4 из центрального отверстия главного зеркала 7, фотоприемное устройство 11 и вторичное зеркало 5 с центрированным в нем вторым узлом, включающим вторую диафрагму 9 и второй монохроматический источник света 10, из отверстия базовой трубы 6. Включают монохроматический источник света 1 и направляют пучок параллельных лучей из объектива автоколлимационной трубы 2 через центральные отверстия главного зеркала 7 и базовой трубы 6 перпендикулярно на плоское зеркало 8. Часть этого светового пучка, отразившись от полупрозрачного плоского зеркала 8, поступает в автоколлимационную трубу 2, которая формирует автоколлимационное изображение А (фиг. 4) маркера на изображении основной сетки автоколлимационной труб 2. Поперечными подвижками автоколлимационной трубы 2 совмещают центр автоколлимационного изображения А (фиг. 4) маркера автоколлимационной трубы 2, образованного отраженным в обратном направлении от зеркала 8 пучком световых лучей, с перекрестьем основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдая момент их совмещения в окуляре автоколлимационной трубы 2. Затем в центральное отверстие базовой трубы 6 устанавливается вторичное зеркало 5 с единым узлом, включающий вторую диафрагму 9 и второй монохроматический источник света 10, освещающий отверстие диафрагмы 9 практически параллельным пучком световых лучей. Световой поток второго источника света 10 проходит через отверстие диафрагмы 9 и центральное отверстие главного зеркала 7 и поступает на объектив автоколлимационной трубы 2, формирующий изображение А (фиг. 4) отверстия диафрагмы 9 («светящаяся» точка), на изображении перекрестья А (фиг. 4) основной сетки, наблюдаемое через окуляр автоколлимационной трубы 2. Размер изображение А (фиг. 4) отверстия диафрагмы 9 определяется соотношением d=d⋅Fk/(Fk+L), где d - диаметр круглого отверстия второй диафрагмы 9, d - минимальный диаметр изображения отверстия этой диафрагмы, ограниченный разрешающей способностью автоколлимационной трубы, L и Fk - соответственно расстояние от центра отверстия второй диафрагмы до узловой точки объектива автоколлимационной трубы и его фокусное расстояние. Поперечными подвижками автоколлимационной трубы 2 добиваются совмещения центра изображения А отверстия второй диафрагмы 9 с центром изображения перекрестья А основной сетки автоколлимационной трубы 2. Последовательно повторяя описанные выше операции подстройки положения автоколлимационной трубы 2, добиваются постоянства совмещения центров изображений А отверстия второй диафрагмы 6 и автоколлимационного изображения А маркера автоколлимационной трубы 2 с центром изображения перекрестья А ее основной сетки, что является свидетельством согласования оптической оси автоколлимационной трубы 2 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы.
5
0
5
0
Далее проводится согласование оптической оси главного зеркала 7 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Для этого единый узел, содержащий первый фокусирующий объектив 3 и первую диафрагму 4, устанавливают в центральное отверстие главного зеркала 7, совместив плоскость первой диафрагмы 3 с положением эквивалентного фокуса юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы F0. Затем вторым источником света 10 освещают через отверстие диафрагмы 9 отверстие первой диафрагмы 4, формирующее практически точечный источник («светящаяся» точка). Объектив 3 преобразует исходящий от точечного источника пучок световых лучей в параллельный, который поступает на объектив автоколлимационной трубы 2, формирующий изображение А (фиг. 5) отверстия диафрагмы 4 («светящаяся» точка), наблюдаемое через окуляр автоколлимационной трубы 2 на изображении А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2. Небольшими поперечными перемещениями главного зеркала 7 в плоскости, перпендикулярной базовой оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы добиваются совмещения центра изображения А с центром изображения А перекрестья (фиг. 5) основной сетки автоколлимационной трубы 2, контролируя момент совмещения через окуляр автоколлимационной трубы 2, что является свидетельством допустимого уровня согласования оптической оси главного зеркала 7 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы.
6
0
6
6
0
6
5
6
0
Далее проводят согласование взаимного положения главного зеркала 7 и вторичного зеркала 5. Для этого из центрального отверстия вторичного зеркала 5 извлекают ранее установленный второй узел, включающий вторую диафрагму 9 и второй монохроматический источник света 10. К противоположному торцу базовой трубы 6 устанавливают плоское зеркало 8. Включают монохроматический источник света 1. Пучок параллельных лучей, вышедший из автоколлимационной трубы 2, несущий изображение маркера автоколлимационной трубы 2, проходит фокусирующий объектив 3, преобразуемый им в сходящийся гомоцентрический пучок лучей с центром в заднем фокусе этого объектива (изображение маркера «светящаяся» точка), проходит диафрагму 4, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом объектива 3 и эквивалентным фокусом юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы F0, и расходящимся гомоцентрическим пучком световых лучей последовательно падает на отражающую поверхность вторичного зеркала 9, а за тем на отражающую поверхность главного зеркала 8. Последнее формирует из него практически параллельный пучок световых лучей, падающий на плоское зеркало 8. Световые лучи, частично отразившись от поверхности плоского зеркала 8 в обратном направлении, формируют автоколлимационный световой поток, который последовательно отражаясь сначала от поверхности главного зеркала 7, а затем от поверхности вторичного зеркала 5, преобразуется ими в сходящийся гомоцентрический пучок лучей с центром в эквивалентном фокусе юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы F0, совпадающим с центром отверстия диафрагмы 4 и задним фокусом объектива 3 («светящаяся» точка), и поступает на объектив 3. Последний преобразует этот автоколлимационный сходящийся гомоцентрический пучок световых лучей в соответствующий параллельный световой поток, поступающий в автоколлимационную трубу 2, которая формирует автоколлимационное изображение А маркера на фоне изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдаемые через ее окуляр. При этом по размеру и резкости автоколлимационного изображения А маркера оценивают отклонение от расчетного значения расстояния от заднего фокуса объектива 3, совмещенным с расчетным положением F0 эквивалентного фокуса юстируемой оптической системы, до вершины O2 отражающей поверхности вторичного зеркала 5, а по поперечному смещению изображения А маркера относительно центра изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2, наблюдаемые через ее окуляр, - суммарную величину децентрировки вторичного зеркала 5 и главного зеркала 7. Резкость автоколлимационного изображения А маркера обеспечивается продольной подвижкой вторичного зеркала 9 вдоль оси базовой трубы 6, отклонение центра автоколлимационного изображения А маркера от центра основной сетки автоколлимационной трубы 2 устраняется регулировкой компенсаторов наклона главного зеркала 7, расположенных на его оправе. Точное согласование оптических осей главного зеркала 7 и вторичного зеркала 5 достигается при получении резкого автоколлимационного изображения А маркера и совпадением его центра с центром изображения А перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 2. В результате вторичное зеркало 5 будет установлено на расчетном расстоянии от заднего фокуса объектива 3, совмещенным с расчетным положением F0 эквивалентного фокуса юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. При этом оптические оси главного 7 и вторичного 5 зеркал будут совмещены между собой и с базовой осью прибора.
7
0
7
0
8
0
7
0
8
7
0
Далее проводят согласование оптической оси автоколлимационной трубы 14 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Для этого объединенные в один узел второй монохроматический источник света 10 и вторая диафрагма 9 устанавливаются соосно в центральном отверстии вторичного зеркала 5 так, что центр ее отверстия совмещен с оптической осью вторичного зеркала 5, а ее плоскость перпендикулярна оптической оси вторичного зеркала 5 и обращена в сторону поверхности плоского зеркала 8, плоскость которого ориентирована перпендикулярно базовой оси юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы. Автоколлимационную трубу 14 устанавливают с другой стороны плоского зеркала 8. Включают монохроматический источник света 13 и направляют пучок параллельных лучей, вышедший из объектива автоколлимационной трубы 14, несущий изображение маркера автоколлимационной трубы 14, на полупрозрачное плоское зеркало 8. Часть этого светового пучка, отразившись от полупрозрачного плоского зеркала 8, поступает в автоколлимационную трубу 14, которая формирует автоколлимационное изображение А (фиг. 7) маркера на изображении А основной сетки автоколлимационной трубы 14. Поперечными подвижками автоколлимационной трубы 14 совмещают центр автоколлимационного изображения А (фиг. 7) маркера автоколлимационной трубы 14, с центром изображения А (фиг. 7) перекрестья основной сетки автоколлимационной трубы 14, наблюдая в окуляре автоколлимационной трубы 14. Затем вторым монохроматическим источником света 10, освещают отверстие диафрагмы 9 практически параллельным пучком световых лучей. Световой поток от второго источника света 10 проходит через отверстие диафрагмы 9, центральные отверстия вторичного зеркала 5 и базовой трубы 6 и полупрозрачное плоское зеркало 8, поступает на объектив автоколлимационной трубы 14, формирующий изображение А (фиг. 7) отверстия диафрагмы 9 («светящаяся» точка), наблюдаемое через окуляр автоколлимационной трубы 14 на изображении перекрестья А (фиг. 7) основной сетки. Поперечными подвижками автоколлимационной трубы 14 добиваются совмещения центра изображения А отверстия второй диафрагмы 9 с центром изображения перекрестья А основной сетки автоколлимационной трубы 14. Последовательно повторяя описанные выше операции подстройки положения автоколлимационной трубы 14, добиваются постоянства совмещения центров изображений А отверстия второй диафрагмы 6 и автоколлимационного изображения А маркера автоколлимационной трубы 14 с центром изображения перекрестья А ее основной сетки, что является свидетельством согласования оптической оси автоколлимационной трубы 14 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы.
Далее устанавливают фотоприемное устройство 11 в базовую трубу 6 юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы, к выходу которого подключают вольтметр 12. Включают монохроматический источник света 13 (фиг. 1), рабочий пучок параллельных световых лучей из автоколлимационной трубы 14, несущий изображение маркера автоколлимационной трубы 14 (фиг. 5), проходит частично через полупрозрачное плоское зеркало 8 и поступает на входную оптику фотоприемного устройства 11. С помощью вольтметра 12, подключенного к выходу фотоприемного устройства 11, контролируют уровень его выходного сигнала. Согласование оптической оси фотоприемного устройства 11 с базовой осью юстируемой двухзеркальной центрированной оптической системы добиваются путем получения максимального уровня выходного сигнала фотоприемного устройства 11 поперечными перемещениями фотоприемного устройства 11 с помощью подвижек в базовой трубе 6.
Итак, из приведенных выше обоснований следует, что в предложенном устройстве юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы на всех этапах согласования оптических элементов самого устройства юстировки и юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы и фотоприемного устройства использованы технически реализуемые, в основном автоколлимационные методы, что является главным условием обеспечения точности согласования оптических элементов устройства юстировки и юстируемой системы, и, следовательно, высокого качества юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы. При этом в оптической схеме предложенного устройства юстировки значительно уменьшено количество оригинальных элементов, что позволяет повысить технологичность и надежность юстировки предлагаемого устройства и сложных двухзеркальных центрированных оптических систем. В результате снижается его стоимость и расширяются его функциональные воможности.
Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает возможность юстировки фотоприемного устройства двухзеркальной центрированной оптической системы.
При этом введение указанных отличий в известное устройство юстировки двухзеркальной центрированной оптической системы преобразуют его в практически универсальное средство для юстировки широкого класса таких систем. В результате повышается технологичность, снижаются трудоемкость и стоимость устройства юстировки и юстируемой системы, обеспечивается расширение типов юстируемых двухзеркальных центрированных оптических систем при их сборке и юстировке, а также их контроля в процессе их эксплуатации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Михельсон Н.Н. Взаимная выверка зеркал в двухзеркальных телескопах // Оптический журнал. 1996. 3. С. 66-68.
2. 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.
3. Российская Федерация, патент на изобретение №2467286, МПК: G01B 11/27, 02В 27/62, 2012 г.
4. Российская Федерация, свидетельство на полезную модель №7210, МПК G01S 1/66, 1998 г.
5. В.Е. Зуев. Лазер-метеоролог, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1974, с. 37, рис. 3.
6. Российская Федерация, патент на изобретение №2540137, МПК: G01S 17/95,G02B23/04, 2013 г.
7. Российская Федерация, патент на изобретение №162917, МПК: G01S 17/27, G02B 27/62, 2016 г. - прототип.
8. Ушаков O.K. Теория юстировки: учебное пособие для вузов: Новосибирск. 2009, с 120-128.