RU2561018C1 - Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements - Google Patents
Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561018C1 RU2561018C1 RU2014132031/28A RU2014132031A RU2561018C1 RU 2561018 C1 RU2561018 C1 RU 2561018C1 RU 2014132031/28 A RU2014132031/28 A RU 2014132031/28A RU 2014132031 A RU2014132031 A RU 2014132031A RU 2561018 C1 RU2561018 C1 RU 2561018C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- lens
- mirrors
- astigmatism
- coma
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims abstract description 27
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 claims abstract description 26
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 claims abstract description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 206010073261 Ovarian theca cell tumour Diseases 0.000 claims description 2
- 208000001644 thecoma Diseases 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 239000011022 opal Substances 0.000 description 3
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N Atorvastatin Chemical compound C=1C=CC=CC=1C1=C(C=2C=CC(F)=CC=2)N(CC[C@@H](O)C[C@@H](O)CC(O)=O)C(C(C)C)=C1C(=O)NC1=CC=CC=C1 XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Telescopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к способам юстировки оптических систем, и может быть использовано при изготовлении и сборке зеркальных и зеркально-линзовых объективов.The invention relates to optical instrumentation, in particular to methods of alignment of optical systems, and can be used in the manufacture and assembly of mirror and mirror lenses.
Об актуальности задачи юстировки двухзеркальных объективов говорит тот факт, что свыше 50% изготовленных в мире телескопов выполнены по двухзеркальной схеме Ричи-Кретьена или Кассегрена [1].The relevance of the alignment task of two-mirror lenses is evidenced by the fact that over 50% of the telescopes manufactured in the world are made according to the two-mirror Richey-Chretien or Cassegrain scheme [1].
Основной задачей юстировки зеркальных и зеркально-линзовых объективов является минимизации суммарной деформации волнового фронта объектива в любой точке поля зрения объектива. Очевидно, что при высоком качестве зеркал минимизация этой деформации достигается при совмещении осей асферических зеркал в пространстве и установке номинального межзеркального расстояния.The main task of adjusting mirror and mirror lenses is to minimize the total deformation of the wavefront of the lens at any point in the field of view of the lens. Obviously, with high quality mirrors, minimizing this deformation is achieved by combining the axes of aspherical mirrors in space and setting the nominal inter-mirror distance.
В простейшем случае совмещение осей зеркал в пространстве и установку номинального межзеркального расстояния производят по геометрическим базам. В качестве геометрических баз могут использоваться цилиндрические образующие зеркал или втулки крепления зеркал, относительно которых определяют положение осей, и плоские тыльные поверхности зеркал, относительно которой определяют направление осей и положение вершин зеркал. Например, положение вершин зеркал относительно тыльных сторон зеркал и положение осей асферических зеркал относительно цилиндрических образующих зеркал может быть измерено на координатно-измерительной машине. Такой метод пригоден только для юстировки низкоапертурных узкопольных объективов, имеющих большие допуски на взаимное положение элементов.In the simplest case, the mirror axes are combined in space and the nominal inter-mirror distance is set using geometric bases. As geometrical bases, cylindrical generators of mirrors or mirror mount bushings can be used, relative to which the position of the axes is determined, and flat rear surfaces of mirrors, relative to which the direction of the axes and the position of the vertices of the mirrors are determined. For example, the position of the vertices of the mirrors relative to the rear sides of the mirrors and the position of the axes of the aspherical mirrors relative to the cylindrical generatrix of the mirrors can be measured on a coordinate measuring machine. This method is suitable only for aligning low-aperture narrow-field lenses with large tolerances on the relative position of the elements.
Известно развитие этого способа юстировки двухзеркальных объективов, например, [Михельсон Н.Н. Взаимная выверка зеркал в двухзеркальных телескопах // Оптический журнал. 1996. №3. С. 66-68].It is known the development of this method of alignment of two-mirror lenses, for example, [Mikhelson N.N. Mutual alignment of mirrors in two-mirror telescopes // Optical journal. 1996. No3. S. 66-68].
В описанном способе совмещение осей зеркал производится при помощи дополнительных элементов в виде зеркал и светящихся контрольных источников, фиксирующих положение осей, что упрощает операцию юстировки, особенно крупногабаритных объективов телескопов, однако не повышает качество изображения объектива.In the described method, the axes of the mirrors are combined using additional elements in the form of mirrors and luminous control sources that fix the position of the axes, which simplifies the alignment operation, especially for large-sized telescope lenses, but does not improve the image quality of the lens.
В случае высокоапертурных объективов с асферическими зеркалами, когда допуски на взаимную угловую установку осей зеркал составляют единицы угловых секунд, на взаимные поперечные смещения - единицы микрон, а на продольные смещения зеркал - десятки микрон, такой метод юстировки практически неосуществим. Это связано с тем, что расчетный допуск на взаимные наклон и децентрировку осей зеркал в этом случае значительно меньше, чем достигаемая погрешность измерения децентровки и наклона осей поверхностей зеркал относительно конструктивных баз или дополнительных элементов.In the case of high-aperture lenses with aspherical mirrors, when the tolerances for the mutual angular installation of the axes of the mirrors are units of angular seconds, for the mutual transverse displacements - units of microns, and for longitudinal displacements of the mirrors - tens of microns, this adjustment method is practically not feasible. This is due to the fact that the calculated tolerance for the mutual tilt and decentration of the axes of the mirrors in this case is much less than the error achieved in measuring the decentration and tilt of the axes of the surfaces of the mirrors relative to the structural bases or additional elements.
Более высокой точностью обладает выбранный нами в качестве прототипа интерферометрический способ взаимной юстировки зеркал с использованием синтезированного голограммного оптического элемента, имеющего одновременно соосные кольцевые голограммы для юстировки голограммы относительно интерферометра, для компенсационного интерференционного контроля вторичного асферического зеркала (на пропускание) и главного асферического зеркала (на отражение) [Пат. RU №2375676, МПК G01B 07/198, приор. 13.12.2007 г.].The interferometric method for mutual alignment of mirrors, which we have chosen as a prototype, has higher accuracy, using a synthesized hologram optical element having simultaneously coaxial ring holograms for aligning the hologram relative to the interferometer, for compensating interference monitoring of a secondary aspherical mirror (for transmission) and the main aspherical mirror (for reflection) ) [Pat. RU No. 2375676, IPC G01B 07/198, prior. December 13, 2007].
Способ включает предварительную сборку объектива по геометрическим базам и его юстировку путем трех последовательных операций: установки голограммного элемента относительно интерферометра по результатам анализа волнового фронта, отраженного от юстировочной голограммы, юстировку главного зеркала по результатам анализа волнового фронта, сформированного голограммой-компенсатором на отражение и отраженного от главного зеркала, юстировку вторичного зеркала по результатам анализа волнового фронта, сформированного голограммой-компенсатором на пропускание и отраженного от вторичного зеркала. Анализ интерферограмм производят визуально, наклоняя и смещая зеркала поперек оси до достижения симметричных интерференционных колец на каждой из соосных зон интерференционного поля.The method includes preliminary assembly of the lens on geometric bases and its adjustment by three sequential operations: installation of a hologram element relative to the interferometer according to the results of the analysis of the wavefront reflected from the adjustment hologram, adjustment of the main mirror according to the results of the analysis of the wavefront formed by the reflection-compensated hologram and reflected from of the main mirror, alignment of the secondary mirror according to the results of the analysis of the wavefront formed by the hologram ator for passing through and reflected from the secondary mirror. The analysis of interferograms is carried out visually by tilting and shifting the mirrors across the axis until symmetrical interference rings are reached on each of the coaxial zones of the interference field.
Такой способ позволяет установить соосно два асферических зеркала с высокой точностью, поскольку контрольные голограммы-компенсаторы сделаны на одной подложке, что гарантирует совпадение их осей симметрии.This method allows you to set coaxially two aspherical mirrors with high accuracy, since the control hologram-compensators are made on the same substrate, which guarantees the coincidence of their symmetry axes.
Затем при необходимости производят изменение осевого положения зеркал до получения «бесконечно широкой» полосы на каждой из соосных зон интерференционного поля, что является признаком установки номинального межзеркального расстояния.Then, if necessary, the axial position of the mirrors is changed until an “infinitely wide” band is obtained on each of the coaxial zones of the interference field, which is a sign of setting the nominal inter-mirror distance.
К недостаткам способа можно отнести высокую стоимость специально изготавливаемого для объективов каждого типа крупногабаритного голограммного оптического элемента, сравнимого по габаритам со вторичным зеркалом, необходимость использования дополнительно высокоточного пятикоординатного юстировочного устройства для юстировки голограммного элемента.The disadvantages of the method include the high cost of a specially manufactured lens for each type of large-sized hologram optical element, comparable in size to the secondary mirror, the need to use an additional high-precision five-coordinate adjustment device for adjusting the hologram element.
Еще один недостаток - снижение точности юстировки крупногабаритных объективов, поскольку голограммные оптические элементы ограничены по диаметру технологическими возможностями. Для крупногабаритных объективов возможно использование котировочных голограммных элементов с диаметром меньше диаметра вторичного зеркала, однако это приводит к падению точности юстировки пропорционально квадрату диаметра используемой голограммы. В России, например, в настоящее время возможно изготовление голограммного элемента диаметром 230 мм (в ближайшей перспективе - диаметром 300 мм), что позволяет без потери точности контролировать объективы со световым диаметром только до 600-700 мм.Another drawback is the decrease in the alignment accuracy of large-sized lenses, since hologram optical elements are limited in diameter by technological capabilities. For large-sized lenses, it is possible to use quotation hologram elements with a diameter less than the diameter of the secondary mirror, however, this leads to a decrease in the alignment accuracy in proportion to the square of the diameter of the hologram used. In Russia, for example, it is currently possible to produce a hologram element with a diameter of 230 mm (in the near future - with a diameter of 300 mm), which allows without loss of accuracy to control lenses with a light diameter of only up to 600-700 mm.
Предложенный способ основан на том, что в осесимметричных объективах расчетное значение аберраций третьего порядка в симметричных точках поля зрения имеет симметрию: комы - одинаковую величину и разные знаки, а астигматизма - одинаковую величину. В хорошо отъюстированном реальном объективе распределение аберраций также должно иметь симметрию относительно центра поля зрения. Отклонение аберраций от симметрии в симметричных точках поля зрения объектива свидетельствует о децентрировке зеркал. Нами расчетным путем было показано и экспериментально подтверждено, что достижение симметричности аберрационных коэффициентов: комы и астигматизма, в симметричных точках поля объектива приводит к значительному улучшению характеристик качества изображения объектива (функции передачи модуляции, концентрации энергии) по всему полю зрения объектива даже при наличии технологически достижимой ошибки в определении центра поля зрения объектива.The proposed method is based on the fact that in axisymmetric lenses, the calculated value of third-order aberrations at symmetric points of the field of view has symmetry: coma - the same magnitude and different signs, and astigmatism - the same magnitude. In a well-aligned real lens, the distribution of aberrations should also have symmetry about the center of the field of view. The deviation of aberrations from symmetry at the symmetrical points of the field of view of the lens indicates the decentration of the mirrors. We have calculated and experimentally confirmed that achieving symmetry of aberration coefficients: coma and astigmatism at symmetric points of the lens field leads to a significant improvement in the image quality characteristics of the lens (modulation transfer function, energy concentration) over the entire field of view of the lens, even if technologically achievable errors in determining the center of the field of view of the lens.
Предложен высокоточный интерферометрический способ юстировки асферических зеркал в двухзеркальном объективе с минимальной волновой ошибкой по всему полю зрения объектива вне зависимости от светового диаметра. При высокой точности способ прост и дешев, поскольку не требует применения дорогостоящих контрольных элементов и дополнительных высокоточных котировочных устройств.A high-precision interferometric method for aligning aspherical mirrors in a two-mirror lens with a minimum wave error over the entire field of view of the lens, regardless of the light diameter, is proposed. With high accuracy, the method is simple and cheap, since it does not require the use of expensive control elements and additional high-precision quotation devices.
Такой результат достигнут нами, когда в интерферометрическом способе юстировки двухзеркального объектива, включающем предварительную сборку объектива по геометрическим базам, формирование автоколлимационного изображения и юстировку объектива по результатам интерферометрического анализа волнового фронта объектива с использованием дополнительного оптического элемента, новым является то, что формирование автоколлимационного изображения осуществляют путем установки фокальной точки объектива интерферометра на оси главного зеркала в фокусе объектива, анализируют волновой фронт объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом в двух расположенных симметрично относительно центра точках поля зрения, изменяют положение 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, а расчет осуществляют, определяя синусные и косинусные составляющие аберрационных коэффициентов Цернике - астигматизма и комы, вызванные децентрировкой, и расчетом по их значениям наклона и смещения вторичного асферического зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала, анализируют волновой фронт объектива в центре поля зрения, определяют аберрационный коэффициент сферической аберрации третьего порядка, по его значению рассчитывают осевое смещение вторичного зеркала относительно номинального положения, а осевое перемещение вторичного зеркала осуществляют на величину, обратную осевому смещению.We achieved this result when, in the interferometric method of aligning a two-mirror lens, which includes preliminary assembly of the lens according to geometric bases, forming an autocollimation image, and adjusting the lens according to the results of interferometric analysis of the wavefront of the lens using an additional optical element, it is new that the autocollimation image is formed by setting the focal point of the interferometer lens on the axis of the main mirror and in the focus of the lens, analyze the wavefront of the lens in an autocollimation scheme with a flat mirror at two points of view located symmetrically with respect to the center, change the position of the secondary mirror until the coma and astigmatism are symmetrical at these points by its angular and linear transverse quotation movements by the reciprocal calculated tilt and displacement of the secondary aspherical mirror, and the calculation is carried out by determining the sine and cosine components of the Zernike aberration coefficients - ast Igmatism and coma caused by decentration and calculation of the slope and displacement of the secondary aspherical mirror according to their two coordinates relative to the axis of the main mirror, analyze the wavefront of the lens in the center of the field of view, determine the aberration coefficient of spherical aberration of the third order, calculate the axial displacement of the secondary mirrors relative to the nominal position, and the axial movement of the secondary mirror is carried out by an amount opposite to the axial displacement.
Подходы к предварительной сборке двухзеркальных объективов по конструктивным базам известны. Конструктивные базы (положения вершин зеркал относительно тыльной стороны зеркал и осей зеркал относительно цилиндрических образующих) определяются на координатно-измерительной машине. Предварительная центровка зеркал осуществляется при помощи высокоточного поворотного стола и цифровых индикаторов. Межзеркальное расстояние предварительно устанавливается при помощи нутромера.Approaches to the preliminary assembly of two-mirror lenses on the basis of design are known. Structural bases (the positions of the vertices of the mirrors relative to the rear side of the mirrors and the axes of the mirrors relative to the cylindrical generators) are determined on a coordinate measuring machine. Pre-alignment of mirrors is carried out using a high-precision turntable and digital indicators. The inter-mirror distance is pre-set using the caliper.
Расчет коэффициентов пропорциональности между децентрировкой вторичного зеркала и аберрационными коэффициентами комы и астигматизма, а также осевым смещением и коэффициентом сферической аберрации производится в расчетных пакетах Opal, Zemax.The calculation of the proportionality coefficients between the decentration of the secondary mirror and the aberration coefficients of coma and astigmatism, as well as the axial displacement and the coefficient of spherical aberration, are performed in the calculation packages Opal, Zemax.
Контроль волнового фронта объектива в автоколлимационной схеме с плоским зеркалом осуществляется традиционным способом, при анализе интерферограмм используются пакеты Interf, WinFringe.The control of the wavefront of the lens in an autocollimation scheme with a flat mirror is carried out in the traditional way; when analyzing interferograms, the packages Interf, WinFringe are used.
Для контроля линейных относительных перемещений вторичного зеркала при корректировке его положения используются цифровые индикаторы, для контроля угловых относительных перемещений вторичного зеркала - цифровые автоколлиматоры.To control the linear relative movements of the secondary mirror when adjusting its position, digital indicators are used, to control the angular relative movements of the secondary mirror, digital autocollimators are used.
Корректировка положения вторичного зеркала производится при помощи пятикоординатного юстировочного устройства, например, [2].The position of the secondary mirror is adjusted using a five-axis adjustment device, for example, [2].
На фиг. 1 приведена схема юстировки с котировочными устройствами и приборами контроля, где интерферометр 1, объектив 2 интерферометра, трехкоординатный стол 3, изделие-держатель 4, втулка 5 главного зеркала, главное зеркало 6, ферма 7 вторичного зеркала, вторичное зеркало 8, юстировочное устройство 9 вторичного зеркала, плоское зеркало 10, автоколлиматор 11, цифровой индикатор 12, дополнительный оптический элемент - плоское автоколлимационное зеркало 13 и держатель 14 плоского зеркала.In FIG. 1 shows the alignment diagram with quotation devices and control devices, where the interferometer 1, lens 2 of the interferometer, three-coordinate table 3, the product holder 4, the sleeve 5 of the main mirror, the
На фиг. 2 (а, б) приведены интерферограммы волнового фронта телескопа в симметричных точках поля +ώ, -ώ после сборки телескопа по конструктивным базам (за центры зеркал приняты центры цилиндрических образующих зеркал, за направления осей - нормали к тыльной поверхности зеркал).In FIG. Figures 2 (a, b) show interferograms of the telescope wavefront at symmetric points of the field + ώ, -ώ after assembling the telescope on structural bases (the centers of the mirrors are taken to be the centers of the cylindrical generatrix of the mirrors, and the directions of the axes are normal to the rear surface of the mirrors).
На фиг. 3 (а, б) приведены интерферограммы волнового фронта телескопа в симметричных точках поля +ώ, -ώ после юстировки.In FIG. Figures 3 (a, b) show the interferograms of the telescope wavefront at symmetric points of the field + ώ, -ώ after adjustment.
Рассмотрим возможность определения децентрировки зеркал, используя значения аберрационных коэффициентов третьего порядка, получаемые в процессе анализа интерференционного фронта двухзеркального объектива.Let us consider the possibility of determining the decentration of mirrors using the values of third-order aberration coefficients obtained in the process of analyzing the interference front of a two-mirror lens.
Известно, что при малых децентрировках астигматизм и кома, вызванные децентрировкой, пропорциональны децентрировке, причем астигматизм линейно возрастает с увеличением поля, а кома является постоянной по всему полю [3, 4]. Астигматизм в любой точке поля можно представить в виде независимых членовIt is known that with small decentrations, astigmatism and coma caused by decentration are proportional to decentration, and astigmatism increases linearly with increasing field, and coma is constant throughout the field [3, 4]. Astigmatism at any point in the field can be represented as independent members
WP A - расчетный полевой астигматизм, дл. волн;W P A - calculated field astigmatism, dl. waves;
WC A - собственный суммарный астигматизм зеркал, дл. волн;W C A - own total astigmatism of mirrors, dl. waves;
WД А - астигматизм, вызванный децентрировкой, дл. волн.W D A - astigmatism caused by decentration, dl. waves.
Кому в любой точке поля можно представить в виде независимых членовWho at any point in the field can be represented as independent members
WP C - расчетная полевая кома, дл. волн;W P C - estimated field coma, dl. waves;
WД С - кома, вызванная децентрировкой, дл. волн.W D C - coma caused by decentration, dl. waves.
Аберрации, вызванные децентрировкой, можно определить, если учесть вышеизложенный факт о симметрии комы и астигматизма в симметричных точках поля. Астигматизм и кому, вызванные децентрировкой, в заданной точке поля ώ можно определить из результатов измерения астигматизма и комы в симметричных точках поля +ώ, -ώ.The aberrations caused by decentration can be determined by taking into account the above fact about the symmetry of coma and astigmatism at symmetric points in the field. Astigmatism and coma caused by decentration at a given point of the field ώ can be determined from the results of measuring astigmatism and coma at symmetric points of the field + ώ, -ώ.
WДω A - астигматизм в точке ώ, вызванный децентрировкой, дл. волн;W Dω A - astigmatism at the point ώ caused by decentration, dl. waves;
WДω С - кома в точке ώ, вызванная децентрировкой, дл. волн;W Дω С - coma at point ώ, caused by decentration, dl. waves;
W+ω A - астигматизм в точке поля +ώ, дл. волн;W + ω A - astigmatism at the point of the field + ώ, dl. waves;
W-ω A - астигматизм в точке поля -ώ, дл. волн;W -ω A - astigmatism at a field point -ώ, dl. waves;
W+ω - кома в точке поля +ώ, дл. волн;W + ω - coma at the point of the field + ώ, dl. waves;
W-ω C - кома в точке поля -ώ, дл. волн.W -ω C - coma at the point of the field -ώ, dl. waves.
Синусные и косинусные составляющие астигматизма и комы, вызванных децентрировкой, в симметричных точках поля +ώ, -ώ линейно связаны со смещением Δ и наклоном Ψ оси вторичного зеркала относительно оси главного зеркала.The sine and cosine components of astigmatism and coma caused by decentration at symmetric points of the + ώ, -ώ field are linearly related to the displacement Δ and the tilt Ψ of the axis of the secondary mirror relative to the axis of the main mirror.
С учетом (3) и (4)In view of (3) and (4)
А+ω cos, А-ω cos, А+ω sin, А-ω sin - косинусные и синусные составляющие коэффициентов астигматизма третьего порядка в симметричных точках поля +ώ, -ώ, дл. волн.;A + ω cos, A -ω cos, A + ω sin, A -ω sin - sine and cosine components of the third-order astigmatism coefficient at the symmetric points field + ώ, -ώ, dl. waves .;
C+ω cos, С-ω cos, С+ω sin, С-ω sin - косинусные и синусные составляющие коэффициентов комы третьего порядка в симметричных точках поля +ώ, -ώ, дл. волн.;C + ω cos, C -ω cos, C + ω sin, C -ω sin - sine and cosine components of the third order coma coefficients in symmetric field points + ώ, -ώ, dl. waves .;
ΔX, ΔY - смещение по осям X, Y, мкм;Δ X , Δ Y is the displacement along the axes X, Y, μm;
ΨX, ΨY - наклон по осям X, Y, угл. сек;Ψ X , Ψ Y - tilt along the axes X, Y, ang. sec
D, E - коэффициенты пропорциональности, мкм/дл. волн;D, E - proportionality coefficients, μm / dl. waves;
F, G - коэффициенты пропорциональности, угл. сек/дл. волн.F, G - proportionality coefficients, ang. sec / dl waves.
Коэффициенты пропорциональности между аберрационными коэффициентами Цернике, наклоном и смещением оси вторичного асферического зеркала в точках поля +ώ, -ώ определяют расчетным путем в любом пакете для оптических расчетов (Opal, Zemax). Реальные значения аберрационных коэффициентов при анализе интерферограмм получают в пакетах обработки интерферограмм Interf, WinFringe и др.The proportionality coefficients between the Zernike aberration coefficients, the tilt and the offset of the axis of the secondary aspherical mirror at the points of the field + ώ, -ώ are determined by calculation in any package for optical calculations (Opal, Zemax). The real values of the aberration coefficients in the analysis of interferograms are obtained in the processing packages of interferograms Interf, WinFringe, etc.
Таким образом, определение аберрационных коэффициентов в симметричных точках поля зрения объектива позволяет, зная коэффициенты пропорциональности, определить смещение и наклон вторичного зеркала по двум координатам относительно оси главного зеркала. Компенсация рассчитанных смещения и наклона вторичного зеркала позволяет исключить влияние аберраций, вызванных децентрировкой, на качество изображения объектива.Thus, the determination of aberration coefficients at symmetrical points of the field of view of the lens allows, knowing the proportionality coefficients, to determine the offset and tilt of the secondary mirror in two coordinates relative to the axis of the main mirror. Compensation of the calculated displacement and tilt of the secondary mirror eliminates the influence of aberrations caused by decentration on the image quality of the lens.
Приведенные зависимости относятся к случаю, когда центр поля зрения объектива находится на оси главного зеркала. В реальном случае определение положения центра поля зрения объектива происходит с ошибкой, которая в случае высокоапертурных объективов больше, чем требуемая ошибка взаимной установки зеркал. Однако, как было показано расчетным путем и экспериментально подтверждено, достижение симметричности аберрационных коэффициентов комы и астигматизма в симметричных точках поля объектива по приведенному алгоритму ведет к значительному улучшению характеристик качества изображения объектива (функции передачи модуляции, концентрации энергии) по всему полю зрения объектива даже при наличии технологически достижимой ошибки в определении центра поля зрения объектива.The above dependences relate to the case when the center of the field of view of the lens is on the axis of the main mirror. In the real case, the determination of the position of the center of the field of view of the lens occurs with an error, which in the case of high aperture lenses is greater than the required error of the mutual installation of the mirrors. However, as was shown by calculation and experimentally confirmed, the achievement of the symmetry of the aberration coefficients of coma and astigmatism at the symmetric points of the lens field according to the above algorithm leads to a significant improvement in the characteristics of the image quality of the lens (modulation transfer function, energy concentration) over the entire field of view of the lens, even in the presence of technologically achievable error in determining the center of the field of view of the lens.
Еще одним параметром, существенно влияющим на качество изображения, является величина межзеркального расстояния.Another parameter that significantly affects image quality is the magnitude of the inter-mirror distance.
Для оптимизации межзеркального расстояния используется линейная зависимость между коэффициентом сферической аберрации третьего порядка и отклонением межзеркального расстояния от номинального значения [5].To optimize the inter-mirror distance, a linear relationship is used between the third-order spherical aberration coefficient and the deviation of the inter-mirror distance from the nominal value [5].
Δd=K S, гдеΔd = K S, where
S - коэффициент сферической аберрации в центре поля зрения, дл. волн;S - coefficient of spherical aberration in the center of the field of view, dl. waves;
Δd - отклонение межзеркального расстояния от номинального значения, мкм;Δd is the deviation of the inter-mirror distance from the nominal value, microns;
K - коэффициент пропорциональности, мкм/дл. волн.K is the coefficient of proportionality, μm / dl. waves.
Осевое смещение вторичного зеркала, соответствующее отклонению измеренного значения сферической аберрации третьего порядка от расчетной величины, можно определить в пакете для оптических расчетов (Opal, Zemax). Реальное значение коэффициента сферической аберрации при анализе интерферограмм получают в пакетах обработки интерферограмм Interf, WinFringe.The axial displacement of the secondary mirror, corresponding to the deviation of the measured value of third-order spherical aberration from the calculated value, can be determined in the package for optical calculations (Opal, Zemax). The real value of the coefficient of spherical aberration in the analysis of interferograms is obtained in the processing packages of interferograms Interf, WinFringe.
В качестве примера приведено описание процесса юстировки и результаты юстировки (совмещения осей зеркал) высокоапертурного двухзеркального телескопа среднего ИК-диапазона с относительным отверстием 1:2.As an example, a description of the alignment process and the results of alignment (alignment of the axes of the mirrors) of a high-aperture mid-IR two-mirror telescope with a relative aperture of 1: 2 are given.
На примере рассмотрена только центрировка вторичного зеркала, поскольку корректировка межзеркального расстояния проста и понятна из описания способа.For example, only the centering of the secondary mirror is considered, since the correction of the inter-mirror distance is simple and understandable from the description of the method.
Предварительная сборка объектива осуществляется традиционным способом. Вначале определяют на координатно-измерительной машине положение вершин зеркал относительно тыльной стороны зеркал и положение осей зеркал относительно цилиндрической образующей и втулок крепления зеркал.Pre-assembly of the lens is carried out in the traditional way. First, the position of the vertices of the mirrors relative to the rear side of the mirrors and the position of the axes of the mirrors relative to the cylindrical generatrix and the bushings of the mirrors are determined on a coordinate measuring machine.
Проведенная нами оценка погрешности измерения смещения оси главного зеркала относительно цилиндрической образующей составила 80 мкм, а погрешность измерения наклона оси зеркала к плоской тыльной стороне зеркала составила 30 угл. сек. Для данного объектива расчетные значения допустимого взаимного смещения осей зеркал составляют 10 мкм, а взаимного наклона - 10 угл. сек. Очевидно, что сборка по геометрическим базам не позволит достичь наилучшего качества изображения объектива и он будет нуждаться в юстировке. В данном случае основным (зачетным) параметром качества является концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра.Our assessment of the error in measuring the displacement of the axis of the main mirror relative to the cylindrical generatrix was 80 μm, and the error in measuring the inclination of the axis of the mirror to the flat rear side of the mirror was 30 angles. sec For this lens, the calculated values of the permissible mutual displacement of the axes of the mirrors are 10 μm, and the mutual tilt is 10 angles. sec Obviously, assembly on geometrical bases will not allow achieving the best image quality of the lens and it will need to be adjusted. In this case, the main (test) quality parameter is the energy concentration in the diaphragm of a given diameter.
Затем объектив устанавливают на вращающийся стол. Вначале центр главного зеркала 6 поперечными подвижками зеркала совмещают с центром вращающегося стола, затем с помощью пятикоординатного юстировочного устройства 9 линейными поперечными подвижками с центром вращающегося стола совмещают центр вторичного зеркала 8. Угловыми подвижками юстировочного устройства 9 тыльные стороны зеркал устанавливают параллельно друг другу. С помощью линейной осевой подвижки юстировочного устройства 9 устанавливают расчетное значение межзеркального расстояния по расстоянию между тыльными поверхностями зеркал. После этого объектив устанавливают на изделие держатель 4.Then the lens is mounted on a rotating table. Initially, the center of the
Первая операция юстировки - установка фокальной точки объектива 2 интерферометра 1 в центр поля зрения объектива с помощью трехкоординатной подвижки 3. Она осуществляется при помощи диафрагмы, вточенной по скользящей посадке во втулку 5 главного зеркала 6. После установки фокальной точки объектива интерферометра в центр поля зрения объектива диафрагма снимается. Затем поперечными подвижками стола 3 перемещают интерферометр 1 в симметричные точки поля +ώ, -ώ, при помощи подвижек держателя 14 плоского автоколлимационного зеркала 13 производят настройку интерференционной картины на конечное число полос, осуществляют регистрацию и анализ интерференционных картин (используются пакеты программ Interf, WinFringe).The first adjustment operation is the installation of the focal point of the lens 2 of the interferometer 1 in the center of the field of view of the lens using a three-axis slider 3. It is carried out using a diaphragm machined along a sliding fit into the sleeve 5 of the
В данной реализации косинусные и синусные составляющие астигматизма и комы до юстировки были равны (λ=3,39 мкм)In this implementation, the cosine and sinus components of astigmatism and coma were equal before adjustment (λ = 3.39 μm)
Концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра (зачетная характеристика) на поля +ώ, -ώ равнаThe energy concentration in the diaphragm of a given diameter (set-off characteristic) per field + ώ, -ώ is
Угловые и линейные юстировочные перемещения вторичного зеркала по осям X, Y осуществляют на величину, обратную рассчитанным (рассчитаны по формулам, приведенным выше) наклону и смещению оси вторичного асферического зеркала, что исключает из суммарной ошибки волнового фронта объектива ошибки, вызванные взаимным наклоном и смещением асферических зеркал. Важно, что измерения углового и линейного положения вторичного зеркала и его перемещения являются относительными от исходного положения, что упрощает процесс контроля и юстировки. Контроль относительного углового перемещения вторичного зеркал 8 осуществляют при помощи двухкоординатного автоколлиматора 11 и плоского зеркала 10, приклеенного к тыльной поверхности вторичного зеркала 8, относительных линейных перемещений вторичного зеркала 8 - при помощи цифровых индикаторов 12. Юстировочные перемещения вторичного зеркала производят при помощи пятикоординатной подвижки 9 [2].The angular and linear alignment movements of the secondary mirror along the X and Y axes are carried out by the reciprocal of the calculated (calculated using the formulas given above) tilt and shift of the axis of the secondary aspherical mirror, which eliminates errors from the total wavefront error of the lens caused by mutual tilt and shift of the aspherical mirrors. It is important that the measurements of the angular and linear position of the secondary mirror and its displacement are relative to the initial position, which simplifies the process of control and adjustment. The relative angular displacement of the secondary mirror 8 is controlled using a two-coordinate autocollimator 11 and a flat mirror 10 glued to the rear surface of the secondary mirror 8, the relative linear displacements of the secondary mirror 8 are using digital indicators 12. The alignment movements of the secondary mirror are performed using the five-axis shift 9 [ 2].
После смещения и разворота вторичного зеркала на расчетные величины косинусные и синусные составляющие астигматизма и комы стали равны (λ=3,39 мкм)After displacement and rotation of the secondary mirror by the calculated values, the cosine and sine components of astigmatism and coma became equal (λ = 3.39 μm)
Концентрация энергии в диафрагме заданного диаметра на полях +ώ, -ώThe concentration of energy in the diaphragm of a given diameter in the fields + ώ, -ώ
Юстировка по предложенному способу позволила значительно увеличить концентрацию энергии на краях поля зрения с Kэ=0,588 до Kэ=0,735 и получить симметричное поле изображения (симметрия по Kэ не хуже 0,005).Adjustment according to the proposed method allowed to significantly increase the energy concentration at the edges of the field of view from K e = 0.588 to K e = 0.735 and obtain a symmetric image field (symmetry in K e is not worse than 0.005).
По предложенному способу с положительным результатом произведена юстировка семи высокоапертурных объективов среднего ИК диапазона световым диаметром 500 мм, что подтвердило правильность предложенных решений и позволяет надеяться на широкое использование способа в оптико-механической промышленности.According to the proposed method, with a positive result, seven high-aperture mid-IR lenses were aligned with a light diameter of 500 mm, which confirmed the correctness of the proposed solutions and allows us to hope for the widespread use of the method in the optical-mechanical industry.
ЛитератураLiterature
1. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы. М.: Наука / Интерпериодика. 2005. С. 80.1. Terebizh V.Yu. Modern optical telescopes. M .: Science / Interperiodics. 2005.S. 80.
2. Вензель В.И. Юстировочное устройство. Патент РФ на полезную модель №85003. 2009.2. Monogram V.I. Adjustment device. RF patent for utility model No. 85003. 2009.
3. Губель Н.Н. Аберрации децентрированных оптических систем. Машиностроение. 1975. С. 271.3. Gubel N.N. Aberrations of decentralized optical systems. Engineering. 1975.S. 271.
4. Герловин Б.Я. Векторно-матричный метод расчета аберраций, обусловленных децентрировками // ОМП. 1974. №1. С. 26-30.4. Gerlovin B.Ya. The vector-matrix method for calculating aberrations due to decentrations // OMP. 1974. No. 1. S. 26-30.
5. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. М.: Издательство Физико-математической литературы. 1995. С. 383.5. Michelson N.N. Optics of astronomical telescopes and methods for its calculation. M.: Publishing House of Physics and Mathematics. 1995.S. 383.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132031/28A RU2561018C1 (en) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132031/28A RU2561018C1 (en) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2561018C1 true RU2561018C1 (en) | 2015-08-20 |
Family
ID=53880925
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014132031/28A RU2561018C1 (en) | 2014-07-18 | 2014-07-18 | Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2561018C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2611604C1 (en) * | 2015-09-21 | 2017-02-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Device for automatic alignment of two-mirror telescope system to given direction of output radiation |
| CN108168499A (en) * | 2017-12-28 | 2018-06-15 | 长春长光精密仪器集团有限公司 | A kind of measuring for the coaxiality error method and measuring system |
| RU2658106C1 (en) * | 2017-07-31 | 2018-06-19 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Interference method for definition of the position of the aspheric surface axis and the device for its implementation |
| RU2705177C1 (en) * | 2019-03-14 | 2019-11-05 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Autocollimation device for centering optical elements |
| RU203510U1 (en) * | 2020-12-29 | 2021-04-08 | Акционерное общество "ЛОМО" | ADJUSTMENT DEVICE FOR TWO-MIRROR CENTERED OPTICAL SYSTEM |
| RU2776692C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-07-26 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Interferometric method for adjustment of three-component lenses |
| CN119269032A (en) * | 2024-10-15 | 2025-01-07 | 四川中飞合创科技有限公司 | A quick adjustment device and method for double-reflective optical system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1293486A1 (en) * | 1985-12-03 | 1987-02-28 | Предприятие П/Я Р-6681 | Device for checking quality of telescopic optical systems |
| US5282016A (en) * | 1992-07-29 | 1994-01-25 | Hughes Aircraft Company | Optical alignment by use of arrays of reflective or diffractive optical elements and detectors |
| RU2375676C2 (en) * | 2007-12-13 | 2009-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО ГИПО") | Method of adjusting double-mirror centred optical systems |
| RU2467286C1 (en) * | 2011-06-06 | 2012-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ОАО "НПО "ГИПО") | Device to align two-mirror aligned optical system |
-
2014
- 2014-07-18 RU RU2014132031/28A patent/RU2561018C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1293486A1 (en) * | 1985-12-03 | 1987-02-28 | Предприятие П/Я Р-6681 | Device for checking quality of telescopic optical systems |
| US5282016A (en) * | 1992-07-29 | 1994-01-25 | Hughes Aircraft Company | Optical alignment by use of arrays of reflective or diffractive optical elements and detectors |
| RU2375676C2 (en) * | 2007-12-13 | 2009-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО ГИПО") | Method of adjusting double-mirror centred optical systems |
| RU2467286C1 (en) * | 2011-06-06 | 2012-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ОАО "НПО "ГИПО") | Device to align two-mirror aligned optical system |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2611604C1 (en) * | 2015-09-21 | 2017-02-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Device for automatic alignment of two-mirror telescope system to given direction of output radiation |
| RU2658106C1 (en) * | 2017-07-31 | 2018-06-19 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Interference method for definition of the position of the aspheric surface axis and the device for its implementation |
| CN108168499A (en) * | 2017-12-28 | 2018-06-15 | 长春长光精密仪器集团有限公司 | A kind of measuring for the coaxiality error method and measuring system |
| CN108168499B (en) * | 2017-12-28 | 2020-02-07 | 长春长光精密仪器集团有限公司 | Coaxiality error measuring method and system |
| RU2705177C1 (en) * | 2019-03-14 | 2019-11-05 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Autocollimation device for centering optical elements |
| RU203510U1 (en) * | 2020-12-29 | 2021-04-08 | Акционерное общество "ЛОМО" | ADJUSTMENT DEVICE FOR TWO-MIRROR CENTERED OPTICAL SYSTEM |
| RU2776692C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-07-26 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Interferometric method for adjustment of three-component lenses |
| CN119269032A (en) * | 2024-10-15 | 2025-01-07 | 四川中飞合创科技有限公司 | A quick adjustment device and method for double-reflective optical system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2561018C1 (en) | Interferometric method of adjusting two-mirror lens with aspherical elements | |
| CN106840027B (en) | Astigmatism-compensated interference detection device and detection method for optical free-form surface | |
| CN107782254B (en) | A kind of mixed compensating mode sub-aperture stitching surface testing method | |
| CN104165599B (en) | Aspheric surface non-contact type measuring system and method for deflection workpieces | |
| RU2658106C1 (en) | Interference method for definition of the position of the aspheric surface axis and the device for its implementation | |
| CN102661719A (en) | Near-null compensator, surface shape measuring instrument and measuring method for matching measurement of sub-apertures of aspheric surfaces | |
| CN103471521B (en) | The real-time detection method of optical aspherical surface fast and accurately | |
| CN103630073B (en) | The detection of wedge-shaped lens and bearing calibration | |
| CN103528539A (en) | Nonzero-digit interference system based on point source array | |
| CN103234480A (en) | Rapid surface shape detection method for circular convex aspheric surfaces | |
| WO2018000943A1 (en) | Method and apparatus for detecting concave cylindrical surfaces and cylindrical diverging lenses | |
| CN104913730A (en) | Spherical surface shape rotation and translation absolute detection method | |
| KR20110065365A (en) | Aspherical measuring method and apparatus | |
| CN206803957U (en) | Optical system for the convex oblate spheroid detection of super large caliber | |
| CN110989188B (en) | K mirror optical system adjusting method | |
| CN115164775A (en) | Large-diameter convex aspheric reflection mirror surface shape detection device and detection method | |
| Beutler | Comparison of 2D and 3D measurements of aspheres with a tactile and optical sensor on one measuring instrument | |
| Gu et al. | Design and error calibration of an on-axis deflectometric microscope system | |
| US8294904B2 (en) | Fizeau lens having aspheric compensation | |
| CN104776811A (en) | Surface shape detection method of larger-aperture and batched off-axis sub-mirrors | |
| RU2534815C1 (en) | Method of measurement of decentring of optical axis of aspherical surface and spherometer for method implementation | |
| Chen et al. | Fiducial free correction of mapping distortion in null test of aspheres and freeforms | |
| Wang et al. | Holographic radius test plates for spherical surfaces with large radius of curvature | |
| CN105510002B (en) | Transmission sphere ripple camera lens is fitted the determination method of optical axis | |
| Chen et al. | Optical centering method for lens assembly based on fiber point diffraction interferometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 23-2015 FOR TAG: (57) |