RU2082193C1

RU2082193C1 - Photoelectronic device for adjustment of optical system

Info

Publication number: RU2082193C1
Application number: RU9494044850A
Authority: RU
Inventors: Б.Я. Герловин; Е.Р. Маламед
Original assignee: Акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1997-06-20
Also published as: RU94044850A

Abstract

FIELD: optical instrument engineering for adjustment of image quality of optical systems, having an adjustable optical member with five degrees of freedom, for example, telescopes, in the process of service of the optical system. SUBSTANCE: the photoelectronic device has successively installed field diaphragm located in the focal plane of the optical system to be adjusted, field lens, objective lens, deflecting optical element, multi-element image receiver and image receiver photoelectric signal processing system. The deflecting optical element is made in the form of a regular tetragonal pyramid, whose vertex is positioned on the optical axis in the plane of image of the exit pupil of the optical system to be adjusted. The deflecting optical element of the offered design divides the pupil into four similar zones forming four separated images on the field diaphragm and object on the multielement image receiver. The provides for measurement of relative displacements of four object images in two coordinates, which makes it possible to determine the values of defocusing, coma and astigmatism. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

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. The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used to adjust the image quality of optical systems having an adjustable optical element with five degrees of freedom, for example telescopes, during operation of the optical system.

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. Various various photoelectronic devices are known that provide image quality adjustment for optical systems that move with the same degree of freedom to adjust the position of the image plane by highlighting two spaced areas of the pupil and evaluating the mutual transverse displacement of the images constructed by the rays passing through the selected zones of the pupil.

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. A disadvantage of the known photoelectronic devices is the impossibility of their use for tuning optical systems, for example telescopes, which contain an adjustable element with five degrees of freedom, since the known devices provide an assessment of image quality by only one parameter.

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. Closest to the proposed device for structural embodiment is a photoelectronic device containing a field lens that creates an image of the pupil of the object, a useful aperture in the form of a narrow strip, an additional lens that projects the image of the field diaphragm into the plane of the photoelectric receivers, an optical device in the form of two optical wedges located in the image plane of the pupil, which distinguishes different areas of the pupil and deflecting rays to separate images of the field diaphragm, two linear multielement photoelectric receivers and a signal processing system for photoelectric receivers, which generates a signal of mutual displacement of images constructed by beams passing through different areas of the pupil.

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. The known device selected as a prototype provides adjustment of only one parameter, namely, defocusing the image, and does not provide the necessary information for adjusting the image quality during operation of optical systems, for example, telescopes containing an adjustable element with five degrees of freedom and therefore requiring an assessment of at least five image quality settings.

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. The objective of the invention is to increase the information content of the device by making it possible to evaluate five parameters of the image quality of the optical system, namely defocusing, coma along two axes and astigmatism along two axes. Performing this task provides an unambiguous adjustment of the position of the adjustable optical element in five degrees of freedom.

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.To solve this problem, a photoelectronic device for tuning the optical system is proposed, comprising a field aperture sequentially located in the focal plane of the tunable optical system, a field lens, a lens deflecting an optical element located in the image plane of the exit pupil of the tunable optical system, a multi-element image pickup, and a coupled with it a photoelectric signal processing system of a multi-element image receiver. The proposed device differs from the prototype in that the deflecting optical element is made in the form of a regular quadrangular pyramid, the vertex of which is located on the optical axis in the image plane of the exit pupil of the custom optical system, and the dihedral angle at the top of the pyramid is determined by their ratio:

where a is the length of the smaller side of the rectangular photosensitive zone of the multi-element image pickup,
n is the refractive index of the pyramid material,
S 'is the distance from the top of the pyramid to the photosensitive surface of the image receiver.

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. The essence of the invention lies in the fact that the deflecting optical element divides the pupil into four identical zones, forming four divided images of the field diaphragm and the object on one multi-element image receiver. This allows you to change the mutual displacements of the four images of the object in two coordinates, which makes it possible to determine the values of defocus, coma and astigmatism.

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. In FIG. 1 shows a schematic optical diagram of a device; in FIG. 2 is a view of a deflecting optical element; in FIG. 3 image formed on a multi-element photoelectric image receiver.

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). The custom optical system 1 comprises a main mirror 2 and an adjustable secondary mirror 3 with five degrees of freedom. In the focal plane 4 on the optical axis there is a circular field diaphragm 5, behind which a field lens 6, a lens 7 and a deflecting optical element in the form of a regular quadrangular pyramid 8, the vertex of which is located on the optical axis in the image plane of the exit pupil of the custom optical system, are installed, and the value the dihedral angle γ at the top of the pyramid corresponds to expression (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. The photoelectronic device also contains a multi-element image receiver 9 located in the image plane of the field diaphragm 5 at a distance S 'from the top of the pyramid 8, and a signal processing system 10 of the receiver 9, which generates signals of mutual displacement of the images in equal parts of the photosensitive zone of the receiver 9 in two coordinates.

На фиг.1 показаны также лучи 11, 12 и лучи 13, 14, проходящие через различные грани пирамиды 8. Figure 1 also shows the rays 11, 12 and the rays 13, 14 passing through the various faces of the pyramid 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. In FIG. 2 shows a deflecting optical element made in the form of a regular quadrangular pyramid 8 having four faces 15, 16, 17, 18, located at an angle a to a plane perpendicular to the optical axis.

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. In FIG. Figure 3 shows the photosensitive zone of the multi-element receiver 9, the coordinate system (X, Y), and the images 19, 20, 21, and 22 of the field diaphragm 5, constructed by beams passing through the faces 15, 16, 17, and 18, respectively, and offset from the center by l.

Величина l связана с малым углом a (фиг. 2) соотношением:
l = α•(n-1)•S′ (2)
а также в соответствии с фиг. 3 связана с размером соотношением:

Объединение выражений (2) и (3) дает выражение:

из которого следует формуле (1).The value of l is associated with a small angle a (Fig. 2) by the ratio:
l = α • (n-1) • S ′ (2)
and also in accordance with FIG. 3 is related to size by the ratio:

The combination of expressions (2) and (3) gives the expression:

from which follows the formula (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.The device operates as follows. The rays 11, 12, 13, 14 form an image of the object, sighted by the optical system 1 during its operation, in the field diaphragm 5. The received image by the lens 7 is projected into the plane of the multi-element image receiver 9. The rays forming the image on the receiver 9 pass through the deflecting element 8, made in the form of a regular quadrangular pyramid, which divides the image of the exit pupil of the tunable optical system 1 into four parts in accordance with the number of faces, and deflects each partial beam by l. All four parts of the

image

19, 20, 21 and 22 of the field diaphragm 5 are located within the photosensitive area of the image receiver 9. Images of the object located within the

images

19, 20, 21 and 22 of the field diaphragm 5 are recorded by the receiver 9, the signals of which are processed using the processing system 10. System 10 estimates the relative displacements along the axes OX and OY of the images of the object located within

spots

19, 20, 21, and 22

, and calculates the defocus coefficients Δf of the coma ΔC ₁ and ΔC _{2 of} astigmatism ΔA ₁ and A ₂ according to the formulas:

where X is the theoretical resolution limit of a periodic object (X λ / F where λ is the radiation wavelength and F is the relative aperture of a tunable optical system),
V lens magnification 7,

where q is the shielding factor of the tunable optical system.

В качестве примера конкретного выполнения приведем расчет параметров фотоэлектронного устройства для настройки оптической системы, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1. As an example of a specific implementation, we give a calculation of the parameters of a photoelectronic device for tuning an optical system, the circuit diagram of which is presented in FIG. one.

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.Let the tuned optical system have a relative aperture of F 0.05 and central shielding q 0.4, operate at a wavelength of λ = 0.6 • 10 ^-3 mm, field lens 6 has a focal length of 100 mm, which is negligible compared to the distance from the exit pupil of the tunable optical system to its focal plane, the magnification of lens 7 is unity, a photodetector with charge transfer 1200CM1 BK0.347.259 TU having 144x232 photosensitive cells with dimensions 0.027x0, is used as a multi-element image detector 9 021 mm, the diameter of the field diaphragm 5 is 1 mm, the distance S 'is 100 mm, the pyramid 8 is made of glass with a refractive index of n 1.5 and rounded for easy mounting in the frame. Then, the calculated parameters have the following values: the dimensions of the photosensitive zone of receiver 9 are 4x5 mm, then l is 1.4 mm and, therefore, α is 0.03 rad (a ≈ 1.7 ^o ), the diameters of lens 7 and the rounded base of pyramid 8 are 6 mm, X 0.012 mm,

The number of cells in the spot is 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.Practice shows that such a number of cells is large enough to estimate the image displacement during a single exposure with an error in measuring image mixing of not more than 0.1 cells of the receiver 9, then the measurement error of the coefficients Δf, ΔA ₁ and ΔA ₂ is 0.08 λ, and the measurement error coefficients DC ₁ and ΔC ₂ is 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. Thus, the claimed photoelectronic device in comparison with the prototype has a high information content, which is provided by evaluating five image quality parameters instead of one (defocusing, coma along two axes and astigmatism along two axes), which is necessary for tuning optical systems of telescopes.

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. At the same time, the proposed device has compactness, ease of development and manufacture, high reliability and sufficient measurement accuracy. Measurement accuracy, if necessary, can be increased several times by using multiple exposure cycles. With single exposures or short cycles, the device can work in real time.

Claims

A photoelectronic device for tuning the optical system, comprising a field diaphragm sequentially located in the focal plane of the tunable optical system, a field lens, a lens deflecting an optical element located in the image plane of the exit pupil of the tunable optical system, a multi-element image pickup and a photoelectric processing system associated with it signals, characterized in that the deflecting optical element is made in the form of a regular quadrangle minutes pyramid whose apex is located on the optical axis in the plane of the exit pupil of the optical system customized image, and the dihedral angle γ at the apex of the pyramid is defined by the relation

where d is the length of the smaller side of the rectangular photosensitive zone of the multi-element image pickup;
n the refractive index of the pyramid material;
S ′ is the distance from the top of the pyramid to the photosensitive surface of the image receiver.