RU1841096C - Deformable mirror - Google Patents
Deformable mirror Download PDFInfo
- Publication number
- RU1841096C RU1841096C SU4500288/28A SU4500288A RU1841096C RU 1841096 C RU1841096 C RU 1841096C SU 4500288/28 A SU4500288/28 A SU 4500288/28A SU 4500288 A SU4500288 A SU 4500288A RU 1841096 C RU1841096 C RU 1841096C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- max
- profile
- plate
- mirror
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Telescopes (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к деформируемым планоидным зеркалам, предназначенным для компенсации аберраций в зеркальных оптических системах.The invention relates to optical instrumentation, in particular to deformable planoid mirrors designed to compensate for aberrations in mirror optical systems.
Зеркала со сложным асферическим профилем отражающей поверхности, получаемые из первоначально плоского зеркала, называются планоидными (Д.Д. Максутов, "Астрономическая оптика", Наука, 1979, стр. 319). Зеркальные оптические системы с такими зеркалами относятся к числу наиболее высококачественных, по формируемому ими изображению (Г.М. Попов, "Современная астрономическая оптика", Наука, 1988, стр. 145).Mirrors with a complex aspherical profile of the reflecting surface, obtained from an initially flat mirror, are called planoidal (D. D. Maksutov, Astronomical Optics, Nauka, 1979, p. 319). Mirror optical systems with such mirrors are among the most high-quality ones in the image they form (G. M. Popov, "Modern Astronomical Optics", Nauka, 1988, p. 145).
Известно деформируемое зеркало, используемое как вторичное зеркало в зеркальной системе Кассегрена, содержащее упругую пластину с отражающим передним слоем, связанную по периферии с несущим корпусом, средства ее деформирования, например столбик из пьезоэлектрического материала, связывающие центр упругой пластины и основание несущего корпуса (Патент Франции №2,519,151, М.Кл4 G02B 23/06).It is known that a deformable mirror is used as a secondary mirror in the Cassegrain mirror system, containing an elastic plate with a reflective front layer, peripherally connected to the bearing body, means of its deformation, for example, a column of piezoelectric material, connecting the center of the elastic plate and the base of the bearing body (French Patent No. 2.519.151, M.C. 4 G02B 23/06).
Качество компенсации аберраций зеркальной системы определяется формой отражающей поверхности деформируемого планоидного зеркала.The quality of compensation of the aberrations of the mirror system is determined by the shape of the reflecting surface of the deformable planoid mirror.
В устройстве-аналоге, как это показано в описании, форма отражающей поверхности, после деформации представляет собой профиль, близкий к параболическому.In an analog device, as shown in the description, the shape of the reflective surface after deformation is a profile close to parabolic.
Недостатками известной конструкции являются:The disadvantages of the known design are:
- необходимость использования в зеркальной системе с такими зеркалами первичных зеркал с асферическими поверхностями, для обеспечения минимума сферической аберрации и аберраций высших порядков, что приводит к повышению трудоемкости и снижению технологичности конструкции в целом;- the need to use primary mirrors with aspherical surfaces in such a mirror system with such mirrors to ensure a minimum of spherical aberration and higher order aberrations, which leads to an increase in labor input and a decrease in the manufacturability of the structure as a whole;
- низкое качество компенсации аберраций оптической системы т.к. устраняется лишь одна из низших аберраций - дефокусировка; (см. фиг. 3, кривая II);- low quality compensation of aberrations of the optical system since only one of the lower aberrations is eliminated - defocusing; (see Fig. 3, curve II);
- отсутствие строгой повторяемости и определенности профиля отражающей поверхности из-за сильного влияния не одного, а комплекса конструктивных параметров: способа защемления упругой пластинки, свойств и вида ее материала, а также конфигурации связи между торцом деформирующего привода и ее тыльной стороной.- the lack of strict repeatability and certainty of the profile of the reflecting surface due to the strong influence of not one but a set of design parameters: the method of pinching the elastic plate, the properties and type of its material, as well as the configuration of the connection between the end face of the deforming drive and its rear side.
Известна конструкция деформируемого планоидного зеркала, выбранного в качестве прототипа, содержащая упругую пластину с отражающим покрытием, защемленную по контуру в несущем корпусе, средства ее деформирования, связанные с ее центром, при этом ее толщина изменяется по уравнению:A known design of a deformable planoid mirror, selected as a prototype, containing an elastic plate with a reflective coating, pinched along the contour in the bearing housing, the means of its deformation associated with its center, while its thickness varies according to the equation:
где E и ν - модуль Юнга и коэффициент Пуассона соответственно;where E and ν are Young's modulus and Poisson's ratio, respectively;
R - радиус деформируемого зеркала;R is the radius of the deformable mirror;
где r - радиус кривизны, формируемый деформируемым зеркалом;where r is the radius of curvature formed by the deformable mirror;
P - нагрузка на единицу поверхности;P is the load per unit surface;
ρ - нормированная координата вдоль поверхности;ρ is the normalized coordinate along the surface;
i, j, k - постоянные коэффициенты, величина которых равна 1, 0, -1 в зависимости от условий нагрузки и опоры (Патент Франции №2,343.262, М.Кл4 G02B 5/10).i, j, k are constant coefficients, the value of which is 1, 0, -1 depending on the load and support conditions (French Patent No. 2,343.262, M. Cl 4 G02B 5/10).
Задаваемое распределение толщины упругой пластины деформируемого зеркала снижает влияние других конструктивных параметров на его профиль и позволяет с большой точностью воспроизводить заданный параболический или сферический профиль ее поверхности.The preset distribution of the thickness of the elastic plate of the deformable mirror reduces the influence of other design parameters on its profile and makes it possible to reproduce the specified parabolic or spherical profile of its surface with high accuracy.
Недостатками известной конструкции являются:The disadvantages of the known design are:
- необходимость использования в зеркальной системе первичных зеркал с асферическими поверхностями для обеспечения компенсации сферической аберрации и аберрации высших порядков;- the need to use primary mirrors with aspherical surfaces in the mirror system to provide compensation for higher-order spherical aberration and aberration;
- низкое качество компенсации высших аберраций оптической системы.- low quality compensation of higher aberrations of the optical system.
Целью изобретения является повышение точности компенсации аберраций в зеркальной оптической системе.The aim of the invention is to increase the accuracy of compensation for aberrations in a mirror optical system.
Указанная цель достигается тем, что в деформируемом зеркале, содержащем упругую пластину с отражающей передней поверхностью и переменным по толщине профилем тыльной поверхности, закрепленную по периферии на несущем корпусе, а также связанные с центром пластины средства деформирования, профиль толщины пластины выполнен по закону задаваемым выражением:This goal is achieved by the fact that in a deformable mirror containing an elastic plate with a reflecting front surface and a thickness profile of the back surface fixed on the periphery on the supporting body, as well as deformation means connected to the center of the plate, the plate thickness profile is made according to the law with the given expression:
где ν - коэффициент Пуассона,where ν is the Poisson's ratio,
a - диаметр адеформируемого зеркала; a is the diameter of the deformable mirror;
c - диаметр контактирующего с его тыльной поверхностью средства деформирования;c is the diameter of the deforming means in contact with its rear surface;
где r - текущая координата вдоль поверхности деформируемого зеркала;where r is the current coordinate along the surface of the deformable mirror;
n - задаваемая константа 1≤n≤20;n is a given constant 1≤n≤20;
где hmin, hmax - минимальные и максимальные толщины профиля пластины, задаваемые из конструктивных соображений,where h min , h max - the minimum and maximum thickness of the plate profile, specified from design considerations,
где h(r) - профиль значения текущей толщины пластины.where h (r) is the profile of the current plate thickness.
Указанный профиль переменной толщины пластины (2) может быть реализован традиционными методами на металлообрабатывающем оборудовании (И.А. Дружинский, "Сложные поверхности", Машиностроение, 1985 г., стр. 241). Получаемый при этом профиль толщины упругой пластины при ее деформации центрально приложенной силой позволяет воспроизвести форму вида WoXn, где Wo - максимальный прогиб пластины, что позволяет скомпенсировать все расчетные аберрации зеркальных оптических систем. Константа n определяется на основании расчета суммарной волновой аберрации зеркальной системы.The specified profile of variable thickness of the plate (2) can be implemented by traditional methods on metalworking equipment (I. A. Druzhinsky, "Complex surfaces", Engineering, 1985, p. 241). The resulting profile of the thickness of the elastic plate during its deformation by a centrally applied force makes it possible to reproduce a form of the form W o X n , where W o is the maximum deflection of the plate, which makes it possible to compensate for all the calculated aberrations of mirror optical systems. The constant n is determined based on the calculation of the total wave aberration of the mirror system.
При компенсации сферической аберрации n=4 (Д.Д. Максутов, "Астрономическая оптика", Наука, 1979, стр. 319). Кроме этого соотношение (2) задает профиль толщины упругой пластины с возможностью ограничения его изменения величинами hmin, hmax, задаваемыми на этапе конструирования.When compensating for spherical aberration n = 4 (D. D. Maksutov, Astronomical Optics, Nauka, 1979, p. 319). In addition, relation (2) sets the profile of the thickness of the elastic plate with the possibility of limiting its changes to the values of h min , h max specified at the design stage.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое деформируемое зеркало отличается профилем, изменяющимся по толщине, в соответствии с задаваемым соотношением (2).Comparative analysis with the prototype shows that the inventive deformable mirror has a profile that varies in thickness, in accordance with a given ratio (2).
Таким образом, заявляемое деформируемое зеркало соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".Thus, the claimed deformable mirror meets the criterion of "novelty." Comparison of the claimed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify in them the features that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".
Возможность компенсировать при помощи заявляемого деформируемого зеркала высшие аберрации, повышающая качество зеркальных оптических систем по сравнению с компенсацией низких аберраций зеркалом-прототипом, позволяет заключить, что заявляемое решение соответствует критерию "положительный эффект".The ability to compensate for the higher aberrations using the inventive deformable mirror, which improves the quality of mirror optical systems in comparison with the compensation of low aberrations by the prototype mirror, allows us to conclude that the claimed solution meets the criterion of "positive effect".
Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
На фиг. 1 представлен общий вид конструктивного исполнения устройства;In FIG. 1 shows a General view of the structural design of the device;
На фиг. 2 представлена конструкция ручного привода для микродеформаций отражающей поверхности устройства.In FIG. 2 shows the design of a manual drive for microdeformations of the reflective surface of the device.
На фиг. 3 представлены, утрированно, профили отражающих поверхностей аналога и заявляемого устройства при компенсации ими сферической аберрации.In FIG. 3 presents, exaggerated, the profiles of the reflective surfaces of the analogue and the claimed device when compensating for spherical aberration.
На фиг. 4 изображена конструкция зеркальной оптической системы с заявляемым устройством.In FIG. 4 shows the design of a mirror optical system with the claimed device.
Деформируемое зеркало содержит (см. фиг. 1) упругую пластину 1, выполненную из металла, например из меди, с отражающим передним слоем 2, полученным чистовым алмазным точением поверхности пластинки 1, толщина которой изменяется по профилю 3, связанной при помощи кольца 4 по своей периферии с несущим корпусом 5, выполненным из материала с тем же коэффициентом теплового расширения, что и пластинка 1, средство деформирования пластины 1 в виде ручного привода микроперемещений 6, один конец которого связан с центром пластин 1, а другой жестко связан с корпусом 5. Привод микроперемещений (см. фиг. 2) содержит гайки 7 и 8, трубку 9 с прорезями 10 и винт 11 с коническим хвостиком.The deformable mirror contains (see Fig. 1) an
Деформируемое зеркало работает следующим образом: при вращении винта с коническим хвостиком 11 в гайке 8 он перемещается, раздвигая стенки трубки 9, которая за счет прорезей 10 симметрично деформируется. При такой деформации (см. фиг. 2) длина привода уменьшается и гайки 7 и 8 сближаются. Поскольку одна гайка 8 зажата в несущем корпусе 5 (см. фиг. 1), а другая 7 связана с центром упругой пластины 1, пластина деформируется. Как известно, (С.П. Тимошенко, "Пластины и оболочки", Наука, 1966 г., стр. 334), деформация пластины с профилем переменной толщины описывается уравнением:The deformable mirror works as follows: when the screw with the tapered tail 11 in the nut 8 rotates, it moves, pushing the walls of the
где D - цилиндрическая жесткость;
w - прогиб упругой пластины;w is the deflection of the elastic plate;
ν - коэффициент Пуассона;ν is the Poisson's ratio;
r - поперечная координата.r is the transverse coordinate.
В свою очередь
Вводя также безразмерную переменную
Для центрированной зеркальной оптической системы совокупную симметричную относительно оптической оси аберрацию, в общем случае, можно выразить соотношением вида:For a centered mirror optical system, the total aberration, symmetric with respect to the optical axis, can generally be expressed by a relation of the form:
Поэтому упругая пластина для обеспечения ее компенсации должна изогнуться по кривой w(x)=w′(x),Therefore, the elastic plate must be bent along the curve w (x) = w ′ (x) to ensure its compensation
где w(x) - профиль прогнутой пластины.where w (x) is the profile of the curved plate.
С учетом этого выражения (4) перепишем:Given this expression (4), we rewrite:
Искомое распределение толщины находится из соотношения:The desired distribution of thickness is found from the ratio:
Вычисление функции y по соотношению (6) занимает на микрокалькуляторе МК-61 с использованием программы из (А.Н. Цветков, В.А. Енанечников, "Прикладные программы для микроЭВМ", Финансы и статистика, 1984 г., стр. 60) 15 минут.The calculation of the function y according to relation (6) is carried out on a MK-61 microcalculator using a program from (A.N. Tsvetkov, V.A. Enanechnikov, "Application Programs for Microcomputers", Finance and Statistics, 1984, p. 60) 15 minutes.
Допуск на технологическую воспроизводимость профиля определим из следующих соображений. Как известно, прогиб упругой пластины в общем виде может быть представлен:The tolerance for technological reproducibility of the profile is determined from the following considerations. As is known, the deflection of an elastic plate in general form can be represented:
где α - коэффициент, зависящий от начальных условий задачи, а β(x) - функция постоянная при заданных начальных условиях.where α is a coefficient depending on the initial conditions of the problem, and β (x) is a constant function for given initial conditions.
Дифференцируя соотношение (8) по h, имеем:Differentiating relation (8) with respect to h, we have:
Т.к. наибольшая ошибка возникает при x=0,5, поскольку при x=0, -1; +1 на прогиб налагаются граничные условия, имеем:Because the greatest error occurs at x = 0.5, since at x = 0, -1; +1 the boundary conditions are imposed on the deflection, we have:
Поскольку, в нашем случае, β(x) определяется соотношением (5), имеем:Since, in our case, β (x) is determined by relation (5), we have:
Полагая h=0,5(hmin+hmax);
где λ - длина волны, а k - количество длин волн, укладывающихся в максимальной амплитуде компенсируемой аберрации, окончательно имеем:where λ is the wavelength, and k is the number of wavelengths that fit in the maximum amplitude of the compensated aberration, we finally have:
в частном случае сферической аберрации n=4, а k=20-30, при hmin=5 мм hmax=20 мм имеем:in the particular case of spherical aberration n = 4, and k = 20-30, with h min = 5 mm h max = 20 mm, we have:
Δh=0,17-0,11 ммΔh = 0.17-0.11 mm
Воспроизведение переменного профиля упругой пластины с таким допуском достигается механической отработкой его торцевой поверхности перпендикулярно к оси вращения и может быть обеспечено:Reproduction of a variable profile of an elastic plate with such a tolerance is achieved by mechanical testing of its end surface perpendicular to the axis of rotation and can be provided:
- на токарном станке. При этом заданный профиль обеспечивается продольно-поперечным смещением суппорта;- on a lathe. In this case, the specified profile is provided by the longitudinal-transverse displacement of the caliper;
- на фрезерном станке фрезой со специальным профилем. Фрезерование может осуществлять в несколько переходов зависимости от глубины профиля h(r).- on a milling machine a milling cutter with a special profile. Milling can be carried out in several transitions depending on the profile depth h (r).
- на станке с ЧПУ.- on a CNC machine.
Ошибка воспроизведения формы поверхности этими способами на стенках обычной степени точности составляет ±0,04 мм, что в несколько раз меньше допустимой ошибки (12).The error in reproducing the surface shape by these methods on the walls of the usual degree of accuracy is ± 0.04 mm, which is several times less than the permissible error (12).
Свободный допуск (12) на воспроизведение заданного профиля h(x) является важным технологическим условием для широкого использования метода модуляции жесткости для деформируемых зеркал.The free tolerance (12) for reproducing a given profile h (x) is an important technological condition for the wide use of the stiffness modulation method for deformable mirrors.
Изготовление упругой пластины с переменным профилем, задаваемым соотношением (2), позволяет:The manufacture of an elastic plate with a variable profile defined by relation (2) allows:
- обеспечить высокое качество компенсации аберраций высших порядков, обладающих осевой симметрией (см. фиг. 3 кривая 1), что позволяет в зеркальных оптических системах (см. фиг. 4), используя в качестве главных зеркал сферические, добиться высокого качества формируемого изображения;- to provide high quality compensation of higher order aberrations with axial symmetry (see Fig. 3 curve 1), which allows mirror optical systems (see Fig. 4), using spherical as the main mirrors, to achieve high quality of the formed image;
- обеспечить возможность применения в зеркальных системах сферической оптики, что позволяет существенно повысить технологичность процесса ее изготовления, а также снизить стоимость и время производства.- to provide the possibility of using spherical optics in mirror systems, which can significantly increase the manufacturability of the manufacturing process, as well as reduce the cost and time of production.
Так, для реальной зеркальной системы (см. фиг. 4) с параметрами: радиус кривизны сферического зеркала - 494,3 мм, расстояние между первичным и вторичным зеркалом - 122,6 мм световой диаметр первичного зеркала - 206 мм.So, for a real mirror system (see Fig. 4) with parameters: the radius of curvature of the spherical mirror is 494.3 mm, the distance between the primary and secondary mirror is 122.6 mm, the light diameter of the primary mirror is 206 mm.
Идеальный профиль вторичного зеркала выражается соотношением: w(x)=1,15·10-7 x3,527 (в мм) (см. фиг. 3 кривая 1).The ideal profile of the secondary mirror is expressed by the ratio: w (x) = 1.15 · 10 -7 x 3.527 (in mm) (see Fig. 3 curve 1).
Если использовать в качестве вторичного зеркала зеркало-прототип, форма поверхности будет иметь вид кривой 2 на фиг. 3 и в пучке излучения в плоскости вторичного зеркала будет присутствовать остаточная ошибка с максимальным значением 112 мкм. Остаточная ошибка при использовании заявляемого зеркала составляет ±0,15 мкм, что удовлетворяет критерию качества (Д.Д. Максутов, "Астрономическая оптика", 1979 г., стр. 319) при длине волн λ≥1 мкм.If a prototype mirror is used as a secondary mirror, the surface shape will look like curve 2 in FIG. 3 and a residual error with a maximum value of 112 μm will be present in the radiation beam in the plane of the secondary mirror. The residual error when using the inventive mirror is ± 0.15 μm, which meets the quality criterion (DD Maksutov, "Astronomical Optics", 1979, p. 319) at a wavelength of λ≥1 μm.
Claims (1)
где
h(x) - текущее значение толщины профиля пластины,
hmin, hmax - соответственно минимальные и максимальные толщины профиля тыльной поверхности пластины, задаваемые конструктивно,
c - диаметр контактирующего с тыльной стороной зеркала средства деформирования,
a - диаметр деформируемого зеркала,
n - заданная константа 1≤n≤20
r - текущая координата вдоль поверхности зеркала,
ν - коэффициент Пуассона для данного материала. A deformable mirror containing an elastic plate with a reflecting front surface and a thickness profile of the back surface fixed peripherally to the bearing body, as well as deformation means connected to the center of the plate, characterized in that, in order to increase the accuracy of aberration compensation, the plate profile is made according to the law:
Where
h (x) is the current value of the thickness of the plate profile,
h min , h max - respectively, the minimum and maximum thickness of the profile of the back surface of the plate, set structurally,
c is the diameter of the deforming means in contact with the rear side of the mirror,
a is the diameter of the deformable mirror,
n is a given constant 1≤n≤20
r is the current coordinate along the surface of the mirror,
ν - Poisson's ratio for a given material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4500288/28A RU1841096C (en) | 1988-10-06 | 1988-10-06 | Deformable mirror |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4500288/28A RU1841096C (en) | 1988-10-06 | 1988-10-06 | Deformable mirror |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU1841096C true RU1841096C (en) | 2015-06-10 |
Family
ID=53294669
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4500288/28A RU1841096C (en) | 1988-10-06 | 1988-10-06 | Deformable mirror |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU1841096C (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2343262B1 (en) * | 1976-03-05 | 1978-08-25 | Anvar |
-
1988
- 1988-10-06 RU SU4500288/28A patent/RU1841096C/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2343262B1 (en) * | 1976-03-05 | 1978-08-25 | Anvar |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4119366A (en) | Mirrors with a variable focal distance | |
US4043644A (en) | Elastically compensated off-axis mirror | |
US5005960A (en) | Relay lens system with four optical elements in symmetrical arrangement | |
US4382657A (en) | Semi-fixed astronomical mirrors and aspherical gratings and methods for manufacturing same by elastic flexion | |
CA1143196A (en) | Device for coupling two optical fibres | |
JPH03148602A (en) | Non-spherical mirror and manufacture and replication thereof | |
US4185885A (en) | Optical fiber connector | |
RU1841096C (en) | Deformable mirror | |
JPS57195205A (en) | Optical waveguide | |
US11934032B2 (en) | Mounting of optical elements in a barrel using a resilient spacer | |
US4433897A (en) | Lens supporting assembly | |
US4639100A (en) | Astigmatic optical element, its manufacturing process, illuminating apparatus including the same and articles treated by the same | |
US4046460A (en) | Objective for video disks | |
US5257136A (en) | Reverse telephoto agron objective lens | |
US3494688A (en) | Color corrected mangin mirror | |
Himmer et al. | Off-axis variable focus and aberration control mirrors | |
Lemaître et al. | Spectrographic development of diffraction gratings aspherized by elastic relaxation | |
JPS61277913A (en) | Image forming lens | |
EP0139979B1 (en) | Optical assemblies | |
US4643535A (en) | Optical information recording/reproducing element | |
US5893549A (en) | Slotted support for x-ray focusing mirrors | |
CN1104338A (en) | Multi-wavelength confocal diffraction optical element | |
SU1280558A1 (en) | Lens with extended entrance pupil | |
JPH043850B2 (en) | ||
JPH01312521A (en) | Optical system for vacuum device |