Фотоэлектронное устройство для настройки оптической системы

 

Использование: область оптического приборостроения для настройки качества изображения оптических систем, имеющих регулируемый оптический элемент с пятью степенями свободы, например телескопов, в процессе эксплуатации оптической системы. Сущность изобретения: фотоэлектронное устройство содержит последовательно установленные полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости настраиваемой оптической системы, полевую линзу, объектив, отклоняющий оптический элемент, многоэлементный приемник изображения и систему обработки фотоэлектрических сигналов приемника изображений. Отклоняющий оптический элемент выполнен в виде правильной четырехугольной пирамиды, вершина которой расположена на оптической оси в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы. Отклоняющий оптический элемент предложенной конструкции разбивает зрачок на четыре одинаковые зоны, формирующие четыре разделенные между собой изображения полевой диафрагмы и объекта на многоэлементном приемнике изображения. Это позволяет измерять взаимные смещения четырех изображений объекта по двум координатам, что обеспечивает возможность определения значений расфокусировки, комы и астигматизма. 3 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для настройки качества изображения оптических систем, имеющих регулируемый оптический элемент с пятью степенями свободы, например телескопов, в процессе эксплуатации оптической системы.

Известные различные фотоэлектронные устройства, обеспечивающие настройку качества изображения оптических систем, имеющих перемещающиеся с одной степенью свободы для регулировки положения плоскости изображений, путем выделения двух разнесенных зон зрачка и оценки взаимного поперечного смещения изображений, построенных лучами, проходящими через выделенные зоны зрачка.

Недостатком известных фотоэлектронных устройств является невозможность их применения для настройки оптических систем, например телескопов, которые содержат регулируемый элемент с пятью степенями свободы, поскольку известные устройства обеспечивают оценку качества изображения только по одному параметру.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по конструктивному выполнению является фотоэлектронное устройство, содержащее полевую линзу, создающую изображение зрачка объекта, полезную диафрагму в виде узкой полоски, дополнительный объектив, проецирующий изображение полевой диафрагмы в плоскость фотоэлектрических приемников, оптическое устройство в виде двух оптических клиньев, расположенное в плоскости изображения зрачка, выделяющее различные зоны зрачка и отклоняющие лучи для разделения изображений полевой диафрагмы, два линейных многоэлементных фотоэлектрических приемника и систему обработки сигналов фотоэлектрических приемников, формирующую сигнал взаимного смещения изображений, построенных лучами, проходящими через различные зоны зрачка.

Выбранное в качестве прототипа известное устройство обеспечивает регулировку только одного параметра, а именно расфокусировки изображения, и не обеспечивает получение необходимой информации для настройки качества изображения в процессе эксплуатации оптических систем, например телескопов, содержащих регулируемый элемент с пятью степенями свободы и требующих поэтому оценки не менее пяти параметров качества изображения.

Задачей изобретения является повышение информативности устройства путем обеспечения возможности оценки пяти параметров качества изображения оптической системы, а именно расфокусировки, комы по двум осям и астигматизма по двум осям. Выполнение этой задачи обеспечивает однозначную настройку положения регулируемого оптического элемента по пяти степеням свободы.

Для решения поставленной задачи предлагается фотоэлектронное устройство для настройки оптической системы, содержащее последовательно установленные полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости настраиваемой оптической системы, полевую линзу, объектив, отклоняющий оптический элемент, расположенный в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы, многоэлементный приемник изображения и связанную с ним систему обработки фотоэлектрических сигналов многоэлементного приемника изображений. От прототипа предлагаемое устройство отличается тем, что отклоняющий оптический элемент выполнен в виде правильной четырехугольной пирамиды, вершина которой расположена на оптической оси в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы, а величина двугранного угла при вершине пирамиды определяется их соотношения: где a длина меньшей стороны прямоугольной светочувствительной зоны многоэлементного приемника изображения, n -показатель преломления материала пирамиды, S' расстояние от вершины пирамиды до светочувствительной поверхности приемника изображений.

Сущность изобретения заключается в том, что отклоняющий оптический элемент разбивает зрачок на четыре одинаковые зоны, формирующие четыре разделенные между собой изображения полевой диафрагмы и объекта на одном многоэлементном приемнике изображения. Это позволяет изменять взаимные смещения четырех изображений объекта по двум координатам, что обеспечивает возможность определения значений расфокусировки, комы и астигматизма.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема устройства; на фиг. 2 вид отклоняющего оптического элемента; на фиг. 3 изображение, формируемое на на многоэлементном фотоэлектрическом приемнике изображений.

Настраиваемая оптическая система 1 содержит главное зеркало 2 и регулируемое вторичное зеркало 3 с пятью степенями свободы. В фокальной плоскости 4 на оптической оси расположена круглая полевая диафрагма 5, за которой установлены полевая линза 6, объектив 7 и отклоняющий оптический элемент в виде правильной четырехугольной пирамиды 8, вершина которой расположена на оптической оси в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы, а величина двугранного угла γ при вершине пирамиды соответствует выражению (1).

Фотоэлектронное устройство содержит также многоэлементный приемник 9 изображения, расположенный в плоскости изображения полевой диафрагмы 5 на расстоянии S' от вершины пирамиды 8, и систему 10 обработки сигналов приемника 9, которая формирует сигналы взаимных смещений изображений на равных участках светочувствительной зоны приемника 9 по двум координатам.

На фиг.1 показаны также лучи 11, 12 и лучи 13, 14, проходящие через различные грани пирамиды 8.

На фиг. 2 показан отклоняющий оптический элемент, выполненный в виде правильной четырехугольной пирамиды 8, имеющей четыре грани 15, 16, 17, 18, расположенные под углом a к плоскости, перпендикулярной оптической оси.

На фиг. 3 показаны светочувствительная зона многоэлементного приемника 9, система координат (X, Y) и изображения 19, 20, 21 и 22 полевой диафрагмы 5, построенные лучами, прошедшими через грани 15, 16, 17 и 18 соответственно и смещенные относительно центра на величину l.

Величина l связана с малым углом a (фиг. 2) соотношением: l = α·(n-1)·Sʹ (2) а также в соответствии с фиг. 3 связана с размером соотношением: Объединение выражений (2) и (3) дает выражение:
из которого следует формуле (1).

Устройство работает следующим образом. Лучи 11, 12, 13, 14 формируют изображение объекта, визируемого оптической системой 1 в процессе ее эксплуатации, в полевой диафрагме 5. Полученное изображение объективом 7 проецируется в плоскость многоэлементного приемника 9 изображений. Лучи, формирующие изображение на приемнике 9, проходят через отклоняющий элемент 8, выполненный в виде правильной четырехугольной пирамиды, которая разбивает изображение выходного зрачка настраиваемой оптической системы 1 на четыре части в соответствии с количеством граней, и отклоняет каждый частичный пучок на величину l. Все четыре части изображения 19, 20, 21 и 22 полевой диафрагмы 5 расположены в пределах светочувствительной зоны приемника 9 изображений. Изображения объекта, расположенные в пределах изображений 19, 20, 21 и 22 полевой диафрагмы 5, регистрируются приемником 9, сигналы которого подвергаются обработке с помощью системы 10 обработки. Система 10 оценивает взаимные смещения по осям OX и OY изображений объекта, расположенных в пределах пятен 19, 20, 21 и 22 , и вычисляет коэффициенты расфокусировки Δf комы ΔC₁ и ΔC₂ астигматизма ΔA₁ и A₂ по формулам:

где X теоретический предел разрешения периодического объекта (X λ/F где λ длина волны излучения и F oтносительное отверстие настраиваемой оптической системы),
V увеличение объектива 7,





где q коэффициент экранирования настраиваемой оптической системы.

В качестве примера конкретного выполнения приведем расчет параметров фотоэлектронного устройства для настройки оптической системы, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1.

Пусть настраиваемая оптическая система имеет относительное отверстие F 0,05 и центральное экранирование q 0,4, работает на длине волны λ = 0,6·10^-3 мм, полевая линза 6 имеет фокусное расстояние 100 мм, которое пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием от выходного зрачка настраиваемой оптической системы до ее фокальной плоскости, увеличение объектива 7 равно единице, в качестве многоэлементного приемника 9 изображения применено фотоприемное устройство с переносом заряда 1200ЦМ1 БК0.347.259 ТУ, имеющее 144х232 светочувствительные ячейки размерами 0,027х0,021 мм, диаметр полевой диафрагмы 5 равен 1 мм, расстояние S' 100 мм, пирамида 8 выполнена из стекла с показателем преломления n 1,5 и скруглена для удобства крепления в оправе. Тогда расчетные параметры имеют следующие значения: размеры светочувствительной зоны приемника 9 равны 4х5 мм, тогда l 1,4 мм и, следовательно, α 0,03 рад ( a ≈ 1,7^o), диаметры линзы 7 и скругленного основания пирамиды 8 равны 6 мм, X 0,012 мм,

Количество ячеек в пятне равно 1385.

Практика показывает, что такое количество ячеек достаточно велико для оценки смещения изображений при одной экспозиции с погрешностью измерения смешения изображений не более 0,1 ячейки приемника 9, тогда погрешность измерения коэффициентов Δf, ΔA₁ и ΔA₂ составляет величину 0,08 λ а погрешность измерения коэффициентов DC₁ и ΔC₂ составляет величину 0,14 λ.

Таким образом, заявляемое фотоэлектронное устройство по сравнению с прототипом обладает повышенной информативностью, которая обеспечивается оценкой пяти параметров качества изображения вместо одного (расфокусировки, комы по двум осям и астигматизма по двум осям), что является необходимым для настройки оптических систем телескопов.

Одновременно с этим предлагаемое устройство обладает компактностью, простотой в разработке и изготовлении, высокой надежностью и достаточной точностью измерений. Точность измерений при необходимости может быть увеличена в несколько раз путем использования многократных циклов экспозиций. При одиночных экспозициях или коротких циклах устройство может работать в реальном времени.

Формула изобретения

Фотоэлектронное устройство для настройки оптической системы, содержащее последовательно установленные полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости настраиваемой оптической системы, полевую линзу, объектив, отклоняющий оптический элемент, расположенный в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы, многоэлементный приемник изображения и связанную с ним систему обработки фотоэлектрических сигналов, отличающееся тем, что отклоняющий оптический элемент выполнен в виде правильной четырехугольной пирамиды, вершина которой расположена на оптической оси в плоскости изображения выходного зрачка настраиваемой оптической системы, а величина двугранного угла γ при вершине пирамиды определяется из соотношения

где d длина меньшей стороны прямоугольной светочувствительной зоны многоэлементного приемника изображения;
n показатель преломления материала пирамиды;
Sʹ расстояние от вершины пирамиды до светочувствительной поверхности приемника изображений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3