Адаптивная оптическая система

 

АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА , содержащая телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители; канал регистрации скорректированного изображения , датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из соединенных последовательно фазового детектора, первого вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны Д , расположенньй относительно искажающей среды со стороны наблюдаемого объекта, отличающаяс я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона работы, в нее введены второй корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одноили многолинзовых объективов и расположенного между этими объективами дополнительного гибкого зеркала с дискретными приводами и установленный между телескопом и первым корректором, второй опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны , расположенный рядом с первым источником, интерференционные фильтры, установленные на выходе каждого из двух интерферометров сдвига и разделяющие потоки излучения с длинами волн i, и 2 Дз дополнительные матрицы топриемников, регистрирующих излучение с длиной волны 2 второй фазовый детектор, вход которого соединен с выходами дополнительных матриц фотоприемников , второй вычислитель, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, блок выработки (Л разностных сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Д и вход которого подключен к выходам обоих вычислителей, а один из выходов - к :усилителям приводов дополнительного гибкого зеркала, а также блок вьфаботки сигналов, пропорциональных дефорсо мациям дополнительного гибкого зер4 кала, вход которого соединен с втор. выходом указанного блока выработки разностных сигналов, а выход - с ю входом вновь введенного сумматора, причем первый вычислитель связан с усилителями приводов и механизма общего наклона основного гибкого зеркала через указанный сумматор, второй корректор волнового фронта выполнен анаберрационным, а каждый из входящих в него объективов обладает хроматической аберрацией положения .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН зов С 02 В 27/00

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3588781/18-10 (22) 05.05.83 (46) 23.05.84. Бюл. Ф 19 (72) В.M. Поповнин и Б.Я. Сазанов (53) 835.8(088.8) (56) 1. Адаптивная оптика. Сб. статей. Пер. с англ, под ред. 3.А,Витриченко. M., "Мир", 1980, с. 116125.

2. Там же, с. 304-321 (прототип). (54)(57) АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, содержащая телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители канал регистрации скорректированного изображения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из соединенных последовательно фазового детектора, первого вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматическогo излучения с длиной волны Д„, расположенный относительно искажающей среды со стороны наблюдаемого объекта, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона работы, в нее введены второй корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одно- или многолинзовьи объективов и расположенного между этими объективами дополнительного гибкого зеркала с дискретными приводами и,„SU„„1094012 А установленнь1й между телескопом и первым корректором, второй опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны il2 расположенный рядом с первым источником, интерференционные фильтры, установленные на выходе каждого иэ двух интерферометров сдвига и разделяющие потоки излучения с длинами волн В и Д2, две дополнительные матрицы <фотоприемников, регистрирующих излучение с длиной волны Л2, второй фазовый детектор, вход которого соединен с выходами дополнительных матриц фотоприемников, второй вычислитель, вход которого соединен с выходом второго Ф фазового детектора, блок выработки

9 разностных сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Л 1 и il 2,âõîä которого подключен к выходам обоих вычислителей, а один иэ выходов - к усилителям приводов дополнительного гибкого зеркала, а также блок выработки сигналов, пропорциональных дефор- 4ю мациям дополнительного гибкого эер- Ж кала, вход которого соединен с втор. 4: выходом указанного блока выработки 4„ ) раэностных сигналов, а выход — с О® б входом вновь введенного сумматора, я причем первый вычислитель связан с усилителями приводов и механизма общего наклона основного гибкого зеркала через укаэанный сумматор, :Ь второй корректор волнового фронта выполнен анаберрационным, а каждый из входящих в него объективов обладает хроматической аберрацией положения.

f094012

Изобретение относится к оптическим системам, а более конкретно к адаптивным оптическим системам, и может быть использовано при создании приборов с высокой разрешающей способ5 ностью.

Известна адаптивная оптическая система, включающая корректор волнового фронта, состоящий из отдельных подвижных зеркал, датчик волнового фронта и электронно-механическую систему, управляющую поочередно каждым подвижным элементом Г1 3.

Недостатком системы является то, что при использовании отдельных под- 5 вижных зеркал остаточная ошибка ухудшает качество изображения, не позволяя приближаться к дифракционному пределу.

Кроме того, последовательное пере- 20 мещение подвижных элементов ухудшает быстродействие системы.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является адаптивная оптическая система, содержащая телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители, канал регистрации скорректи" роваяного изображения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего из .соединенных последовательно фазового детектора, первого вычислителя и усилителей, а также опорный точечный

40 источник монохроматического излучения с длиной волны Л 1, расположенный отно" сительно искажающей среды со стороны наблюдаемого объекта (2 3.

Известная система компенсирует ат45 мосферные искажения волнового фронта в реальном времени. Однако она произ-у водит коррекцию оптической длины пути для всех длин волн одинаково, в то время как искажения волновых поверх ностей в данный момент времени для разных длин волн различны, т.е. возникает хроматическое мерцание. Таким образом, устранив в данной системе искажения для излучения одной длины волны, можно либо недокомпенсировать, либо усилить деформацию волновой поверхности для излучения другой длины волны.

Цель изобретения — расширение спектрального диапазона работы.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивную оптическую систему, содержащую. телескоп, корректор волнового фронта, выполненный в виде основного гибкого зеркала с дискретными приводами управления формой его поверхности и механизмом общего наклона, светоделители, канал регистрации скорректированного изоб ражения, датчик волнового фронта, включающий два интерферометра сдвига и две матрицы фотоприемников, выходы которых соединены с входом устройства управления приводами гибкого зеркала, состоящего иэ соединенных последовательно фазового детектора, вычислителя и усилителей, а также опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны

1э расположенный относительно искажающей среды со стороны наблюдаемого объекта, введены второй корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одно- или многолинзовых объективов и расположенного между этими объективами дополнительного гибкого зеркала с дискретными приводами и установлеиный между телескопом и первым корректором, второй опорный точечный источник монохроматического излучения с длиной волны 32, расположенный рядом с первым источником, интерференционные фильтры, установленные на выходе каждого из двух интерферометров сдвига и разделяющие потоки излучения с длинами волн

Д„ и Л2, две дополнительных матрицы фотоприемников, регистрирующих излучение с длиной волны Л2, второй фазовый детектор, вход которого соединен с выходами дополнительных матриц фотоприемников, второй вычислитель, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, блок выработки разностных сигналов, пропорциональных разности искажений волновых поверхностей с длинами волн

I H h2, вход которого подключен к выходам обоих вычислителей, а один из выходов — к усилителям приводов дополнительного гибкого зеркала, а также блок выработки сигналов, пропорциональных деформациям дополнительного гибкого зеркала, вход которого соединен с вторым выходом указанного блока выработки разностных сигналов, а выход — с входом вновь з 1094 введенного сумматора, причем первый вычислитель связан с усилителями приводов и механизма общего наклона основного гибкого зеркала через указанный сумматор, второй корректор волнового фронта выполнен анаберра5 ционным, а каждый из входящих в него объективов обладает хроматической аберрацией положения..

На чертеже представлена функцио10 нальная схема предлагаемой системы.

Адаптивная оптическая система включает два точечных источника 1 и

2 монохроматического излучения с длинами Волн 1 и Л2, расположенных относительно искажающей среды 3

15 со стороны наблюдаемого объекта, телескоп, состоящий из объектива 4 и входного коллиматора 5, дополнительный корректор волнового фронта, выполненный в виде системы из двух одно- или многолинзовых объективов

6 и 7 и расположенного между этими объективами гибкого зеркала 8 с дискретными приводами управления формой

его поверхности, основной корректор волнового фронта, выполненный в виде гибкого зеркала 9 с дискретными приводами и механизмом общего наклона, светоделители 10 — 12 (последний выполнен полностью отражающим), канал регистрации скорректированного изображения, состоящий иэ выходного коллиматора 13 и регистратора 14, датчик волнового фронта, состоящий иэ двух интерферометров 15 и 16 вер- 35 тикального и горизонтального сдвига интерференционных фильтров 17 и 18, разделяющих потоки излучения с длинами волн 3 и il и четырех матриц фо1 топриемников 19 — 22, а также устрой-4О ство управления приводами гибких зеркал 8 и 9, которое включает два фазовых детектора 23 и 24, два вычислителя 25 и 26, блок 27 выработки сигналов, пропорциональных разнос- 45 ти искажений волновых поверхностей с длинами волн h и 7L., блок 28 выра2 ботки сигналов, пропорциональных деформациям дополнительного гибкого зеркала 8, сумматор 29, усилители 50

30 дискретных приводов зеркала 8 и усилители 31 дискретных приводов и механизма общего наклона зеркала 9.

При этом матрицы фотоприемников 19 и 20, регистрирующие излучение с дли- 55 ной волны i(1, подключены к основному фазовому детектору 23, а матрицы

21 и 22, регистрирующие излучение с

012 4 длиной волны Л2 — к дополнительному детектору 24.

На входы каждого иэ фазовых детекторов подаются, кроме того, опорные сигналы от обоих интерферометров 15 и 16 сдвига. Выходы детекторов 23 и

24 соединены в свою очередь с входами основного 25 и дополнительного 26 вычислителей соответственно. Выходы обоих вычислителей 25 и 26 подключены к блоку 27, сигнал с которого подается на усилители 30 приводов гибкого зеркала 8 и на блок 28. Выход этого блока, также как и второй выход вычислителя 25 подключен к вхо" ду сумматора 29, сигнал с которого подается на усилители 31 приводов и механизма общего наклона зеркала 9. При отсутствии деформации зеркала 8 у дополнительного корректора волнового фронта, включающего элементы 6, 8 и 7, скомпенсированы хроматическая и сферическая аберрации и сведены к минимуму кома и аберрации высших порядков в пределах поля зрения адаптивной системы. В то же время каждый из объективов 6 и 7 в отдельности обладает хроматической аберрацией положения, величина которой не меньше хроматических искажений, вызванных турбулентной средой 3.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Пучок света от объекта вместе с излучением опорных источников 1 и 2 на длинах волн i(1 è 1 после прохождения через объектйв 4 телескопа коллимируется системой 5 и направляется на корректбр волнового фронта, состоящий из двух линз 6 и 7 н двух деформируемых зеркал 8 и 9. После отражения от зеркала 9 светоделитель

10 направляет часть светового пучка на датчик волнового фронта, а остальная часть излучения проходит через выходной коллиматор 13 и формирует скорректированное изображение объекта на регистраторе !4.

Система первой б и второй 7 линз с дополнительным зеркалом 8 компенсирует разность искажений волновых поверхностей для двух длин волн и A Z . При отсутствии цветового мерцания, а следовательно, при недеформированном дополнительном зеркале

8 дисперсия светового пучка в первой линзе 6 компенсируется дисперсией пучка во второй линзе 7. Монохроматические искажения формы волновой поверх1094

S ности устраняются в этом случае основным зеркалом 9, При наличии цветовых искажений (для двух длин волн) оптическая система, состоящая из линзы 6, зеркала 8 и линзы 7, компенсирует эти искажения, оставляя нескомпенсированными искажения, одинаковые для обеих ! длин волн. Остаточные искажения устраняются в свою очередь основным зеркалом 9. Прохождение любого узкого )o пучка (диаметр которого во много раз меньше диаметров обоих линз) че1 рез линзу эвивалентно в первом приблйжении прохождению этого пучка через призму с преломляющим углом, равным углу между плоскостями, касательными в тачках входа и выхода данного светового пучка.

Ориентация данного эквивалента призмы относительно оптической оси адаптивной системы и величина его преломляющега угла на линзе 7 меняют/ ся при отклонении зеркалом 8 любого узкого пучка лучей на угол В от первоначального напр1щения до деформации. Деформация дополнительного зеркала 8 приводит к изменению направления и величины дисперсии узкого пучка лучей при прохождении его через линзу 7 (как следствие изменения положения эквивалента призмы и величины его преламляющего угла). Зта в свою очередь приводит к результирующей дисперсии системы первой 6 и второй 7 линз и зеркала 8, величина и направление которой зависят от величины В и ориентации этого угла относительно оптической оси системы.

При этом направление результирующей дисперсии может быть любым относительно направления рассматриваемого тон40 кого пучка.

В корректоре с одиночными линзами в ряде случаев нельзя устранить его собственные аберрации (особенно вторичный спектр и аберрации высших по45 рядков) до дифракционного предела.

Тогда отдельные линзы необходимо заменить группами линз, причем каждая группа линз должна иметь хроматическую аберрацию положения. В остальном работа многолинзового корректора аналогична работе корректора с одиночными линзами.

Искажения волновых поверхностей измеряются с помощью интерфераметров

15 и 16 сдвига. Устройство управления приводами вырабатывает сигналы, па которым производится коррекция

012 Ь волновых фронтов для излучения с длинами волн Я и ilZ путем соответствующих деформаций зеркал 8 и 9. Оно работает в реальном времени по сигналам, поступающим с матриц фотоприемников 19 — 22 (перед которыми могут быть установлены дополнительные светофильтры, отрезающие мешающее излучение), и по сигналам с постоянной фазой от опорных каналов интерфе1 ометров 15 и 16. Излучение с длиной волны Л на выходе интерферометра проходит через интерференционные светофильтры 17 и l8 и попадает на матрицы фотоприемников 19 и 20, а излучение с длиной волны Л2 отражается этими светофильтрами, попадая на матрицы фотоприемников 21 и 22.

Таким образом, матрицы фотоприемников 19 и 20 выдают сигналы об искажениях волнового фронта на длине волны 3„, а матрицы фотоприемников

21 и 22 — об искажениях волнового фронта на длине волны 4 . Фазовый детектор 23 и вычислитель 25 при этом вырабатывают сигналы, пропорциональные искажениям волнового фронта с длиной волны 3 и сигналы общего

1 наклона волнового фронта на поверхности основного зеркала 9. Идентичные по устройству фазовый детектор

24 и вычислитель 26 в свою очередь вырабатывают сигналы, пропорциональные искажениям волнового фронта из лучения с длиной волны 1 на поZ верхности зеркала 9. С выходов вычислителей 25 и 26 сигналы, пропорциональные искажениям волновых поверхностей, поступают на блок 27, который вырабатывает сигналы, пропорциональные разности искажений волновых поверхностей с длинами волн Л

1 и Д2 на поверхности зеркала 8. С выходов устройства 27 сигналы поступают через усилители 30 на соответствующие приводы зеркала 8, участки которого, деформируясь, устраняют разность искажений между волновыми поверхностями излучений с длинами волн Л2 и В, Система работает па принципу отрицательной обратной связи. Устройство 27 вырабатывает сигнал, управляющий зеркалом 8, в результате деформации которого устраняются различия в искажениях волновых фронтов для длин волн il„ и Я . Одновременно зеркалом 9 устраняются искажения волновой поверхности Л (т.е.

1094012

ВНИНПИ Заказ 3422/38 Тираж 497 Подписное

Филивл ППП "Патент", г. Ужгород,ул.Проектная, 4 общие искажения для излучения с длинами волн $.1и В2 ), но остаются искажения волнового фронта Я,1, вызываемые самой деформацией зеркала 8. Эти искажения должны снова привести в, 5 действие систему обратной связи для управления зеркалом 9.

Чтобы исключить дополнительные искажения, вызванные деформацией зеркала 8, введен блок 28, вырабатывающий сигналы, пропорциональные этим искажениям. На каждый из приводов основного зеркала 9 через усилители 31 при этом поступают сигналы

1,5 с соответствующих выходов сумматора

29, который суммирует соответствующие сигналы с выхода вычислителя 25 и с выхода блока 28, т.е. по сигналам волновых поверхностей производится одновременное управление деформациями зеркал 8 и 9.

Таким образом, применение изобретения позволит по сравнению с известными системами расширить спектральный диапазон коррекции волновых фронтов при наличии цветового мерцания благодаря компенсации искажений для двух длин волн.