Геометрия оптических трактов: как формулируют геометрические требования к телескопам и оптическим установкам

Ниже фрагмент главы 2 книги Сергея Ивановича Грызулина «Юстировка оптических трактов». Глава о том, с чего начинается юстировка: с геометрических требований, которые можно проверить измерениями. Текст публикуется с сокращениями.

2.1. Основные геометрические требования к установке

В документации на установку должны быть обозначены элементы, реализующие основные геометрические понятия:

• визирные оси (ВО);
• оси излучения (ОИ);
• измерительные центры (ИЦ);
• исходные положения осей вращения и датчиков угла поворота (начальное рабочее положение, НРП).

В этих терминах формулируют главные геометрические требования к установке. Например, для телескопа азимутальной монтировки одно из основных геометрических требований может звучать так: «При нулевом показании датчика поворота горизонтальной оси визирная ось канала первичного фокуса должна быть направлена в зенит с погрешностью не более … угл. сек.» Или так: «Во всей рабочей зоне азимут и зенитное расстояние главной визирной оси телескопа должны быть равны показаниям датчиков углов поворота на осях вращения с погрешностью не более … угл. сек.»

Второй вариант подходит для любых двухосных монтировок телескопов и локаторов, только для локаторов следует добавить требование параллельности визирной оси (ВО) и оси излучения (ОИ). В «неподвижных» установках, где нет системы наведения, требования к осям излучения могут выглядеть так: «Оси излучения всех передающих каналов должны проходить через центр мишени с погрешностью не более … мкм». Так что основные геометрические требования к установкам могут быть довольно разнообразными.

Из примеров понятно, что для установок с системами наведения требования к оптическим осям связаны также и с требованиями к осям вращения и датчикам угла поворота. В любом варианте формулировок в документации должны быть указаны способы проверки их выполнения. А это приводит к тому, что ВО и ОИ должны быть наблюдаемы, то есть реализованы, например, в виде параллельных пучков света, которые можно наблюдать в трубу теодолита или другого измерительного прибора.

Следовательно, в каждом приёмном канале должна быть обозначена конкретная точка (деталь, перекрестье, марка), изображение которой формируется в параллельном пучке в пространстве объектов и представляет направление визирной оси. Обычно эту точку помещают вблизи центра поля зрения канала и сокращённо называют точкой фокуса (ТФ) канала. Как правило, с этой точкой или с её изображением должен быть совмещён центр светоприёмной площадки приёмника. Если в тракте нет полевой диафрагмы, то задача отыскания центра поля зрения и реализации точки фокуса часто оказывается довольно сложной процедурой.

Иногда для одного и того же канала назначают несколько разных реализаций визирной оси, которые используют на разных стадиях изготовления и испытаний. Например, в сборочном цехе при сборке приёмной оптики в качестве ТФ используют перекрестье-имитатор, на следующем этапе сборки это перекрестье заменяют центральной маркой диапроектора, а в собранном тракте при наличии штатного приёмника точкой фокуса служит центр его светоприёмной площадки. Если в оптическом тракте несколько приёмных каналов, бывает удобнее назначить «главную» визирную ось (ГВО). Это может быть ось одного из каналов, а может быть специально организованная «опорная» оптическая ось. В этом случае требования к остальным визирным осям и осям излучения формулируются по отношению к ГВО.

Если визирные оси приёмных каналов можно реализовать сравнительно просто, то с передающими каналами дело обстоит сложнее. Как правило, в них применяют лазеры, у которых диаграмма направленности излучения иногда имеет сложную конфигурацию, да ещё и не всегда стабильную. К тому же высокая мощность излучения не позволяет работать на этапе юстировки с таким «горячим» излучением обычными оптическими средствами. Поэтому ось излучения в подавляющем большинстве случаев имитируют слабыми «холодными» световыми пучками, пригодными для работы с визуальными измерительными приборами. Понятно, что такая имитация есть более или менее удачное приближение к реальному «горячему» излучению. Степень приближения можно выяснить, только если удаётся на одной и той же приёмной площадке зафиксировать положение осей «горячего» и «холодного» излучений. В установках с твердотельными лазерами, где резонатором служат торцы кристаллов, осью излучения считается нормаль к выходному торцу кристалла, проходящая через середину выходного окна лазера.

В системах наведения наблюдение объекта может заключаться и в измерении его угловых координат и дальности. Результаты измерений в общем случае представляют собой полярные координаты объекта как функцию времени, и полюс этой системы координат находится в измерительном центре (ИЦ). Отсюда и прилагательное «измерительный» в названии центра. В системах наведения с двухосными монтировками измерительным центром считают точку пересечения осей вращения, если, конечно, они пересекаются. Если оси скрещены, что тоже часто бывает, то понятие ИЦ усложняется: для горизонтальных полярных углов полюсом является вертикальная ось вращения, а для вертикальных углов горизонтальная ось. Если расстояние между осями имеет значение для вычисления прямоугольных координат объекта, его надо определять и учитывать в расчётах. Такой учёт делается крайне редко, разве что в наблюдениях радиоинтерферометрами, где координаты ИЦ иногда учитываются с точностью до сантиметров.

Оси вращения опорно-поворотного устройства (ОПУ) имеют номера, начиная с первой, несущей, связанной с неподвижным основанием. Первая ось (Е1) может быть установлена вертикально (азимутальная монтировка) или параллельно оси вращения Земли (экваториальная). Оси снабжены датчиками угла поворота, их показания pᵢ переводят в углы поворота eᵢ по формуле

eᵢ = e₀ᵢ + fᵢ(pᵢ),

где e₀ᵢ обозначает постоянную часть поправки датчика, а fᵢ(pᵢ) функцию перевода показаний в угловые единицы с учётом погрешностей шкалы. Положение ОПУ, в котором фиксируют e₀, можно назвать начальным рабочим положением (НРП); его должно быть можно воссоздать с заданной точностью без показаний датчика. Операцию определения e₀ часто (и не слишком удачно) называют «привязкой нулей датчиков», а процесс определения функции называют «эталонированием датчиков».

Пример требований к геометрии азимутальной монтировки:

1. Ось Е1 должна быть вертикальна.
2. Ось Е2 должна быть перпендикулярна оси Е1.
3. Главная визирная ось (ГВО) должна быть перпендикулярна оси Е2.
4. В НРП показания датчиков p1 и p2 должны быть равны нулю.
5. Увеличение показаний датчиков должно соответствовать увеличению азимута и зенитного расстояния объекта.
6. За НРП принимают положение, когда Е2 и ГВО лежат в плоскости первого вертикала ИЦ, а ГВО направлена вверх.

Для подавляющего большинства оптических установок с системами наведения допуски исчисляются единицами угловых секунд и не превышают угловой минуты. Соблюдение этих требований обеспечивает главное: во всей рабочей зоне в любой момент сеанса угловые координаты визирной оси должны быть равны угловым координатам объекта наблюдения.

2.2. Геометрические требования к оптике тракта

Кроме требований к установке в целом, возникают требования к взаимному положению элементов в составе оптического тракта. Они вытекают из простого условия: весь световой поток, попавший во входной зрачок приёмного канала, должен пройти тракт без потерь на оправах и диафрагмах. Ненужное освещение оправ и диафрагм называется виньетированием и уменьшает коэффициент пропускания тракта. Задача контроля виньетирования особенно важна в передающих каналах: при мощных световых потоках возможны не только потери света, но и повреждения затеняющих деталей.

Для удобства транспортировки, монтажа и юстировки тракт делят на «сборочные единицы». В зависимости от того, как разделён тракт, решают задачу о количестве и размещении регулировочных приспособлений, которые обычно называют «подвижками». Сам подход различается для компактных и протяжённых трактов.

2.2.1. Компактные тракты. Пример БТА

Хороший пример компактных трактов дают астрономические инструменты, где почти вся оптика размещается в пределах монтировки. В этом случае оптику устанавливают относительно механических осей вращения.

Рассмотрим формулирование требований на примере Большого телескопа азимутального (БТА) САО АН СССР. У него два варианта оптической схемы: работа в первичном фокусе главного параболического зеркала диаметром около 6 м с фокусным расстоянием около 24 м и работа в одном из двух фокусов Несмита объектива Кассегрена с эквивалентным фокусным расстоянием около 195 м.

В азимутальной монтировке наблюдаемый участок неба вращается в поле зрения, и это вращение компенсируют поворотным устройством, на котором крепится светоприёмная аппаратура. Точку пересечения его оси с плоскостью светоприёмника назовём центром первичного приёмника (ЦПП). Отсюда первое геометрическое требование: главное зеркало должно быть установлено так, чтобы фокус параболоида совпадал с ЦПП. Для этого требуется, конечно, найти обе точки. Если центр вращения можно без труда зафиксировать с точностью порядка миллиметра, то в реальном зеркале большого телескопа фокус параболоида представляет собой скорее область, чем точку. Её размер и положение определяются областью минимальных аберраций изображения.

Совмещённые точки центра приёмника и фокуса параболоида назовём точкой первичного фокуса (ТПФ). Её изображение в пространстве объектов находится в бесконечности, а направление соответствующего параллельного пучка будем считать направлением главной визирной оси телескопа. Теперь можно сформулировать второе требование: главная визирная ось телескопа должна быть перпендикулярна оси Е2. Для схемы со вторичными зеркалами добавляется ещё одно: вторичные зеркала и поворотные устройства должны быть установлены так, чтобы точки вторичного фокуса совпадали с осью Е2, а вторичные визирные оси были параллельны ГВО. К этому добавляются требования к осям: Е1 вертикальна, Е2 перпендикулярна Е1.

Выберем теперь НРП для телескопа. Здесь могут быть варианты; для примера назовём НРП положение, когда ось Е2 лежит в плоскости первого вертикала, а ГВО горизонтальна и обращена к северу. В этом положении показание датчика на оси Е1 должно быть равно нулю, а показание датчика Е2 равно 90°. Таким образом, требования к оптике компактного тракта сформулированы относительно осей вращения монтировки, а положение осей задано относительно отвесной линии и плоскости меридиана. Имея перед собой полную картину требований и зная технологию монтажа, легко понять, какие устройства должны иметь юстировочные подвижки и в каком порядке следует проводить контрольные измерения и юстировку.

2.2.2. Протяжённые тракты

В протяжённых трактах гораздо удобнее каждую сборочную единицу устанавливать независимо от других, пользуясь единой для всей установки местной системой координат (МСК). Этот подход единственно возможен, когда сборочные единицы располагаются в разных помещениях многоэтажных сооружений на расстояниях в десятки и сотни метров. В таких сооружениях создают и обслуживают систему опорных элементов (СОЭ), хранящих координаты и азимуты МСК. Она даёт возможность монтировать части тракта независимо, а в период эксплуатации позволяет контролировать стабильность положения элементов.

Для каждой сборки назначают монтажные (МЦ, МО, МП) и юстировочные (ЮЦ, ЮО, ЮП) центры, оси и плоскости и допуски для них. Например, для неподвижной сборки с объективом Кассегрена (главное зеркало 1 м, фокусное расстояние 30 м) на трёх домкратах монтажными центрами выбирают центры опорных площадок домкратов, юстировочным центром выбирают центр диафрагмы поля зрения, а юстировочной осью считают направление параллельного пучка, несущего изображение ЮЦ. Отсюда, кстати, следует, что сборка должна иметь точные перемещения по трём осям и повороты в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Вопрос о наличии подвижек в конструкциях сборок не так прост. С точки зрения юстировщика все сборки должны иметь все подвижки и повороты. Но такое решение значительно усложняет конструкцию и уменьшает уверенность в долговременной сохранности геометрии тракта. Поэтому разработчики всегда ищут для каждого тракта оптимальное сочетание технологии изготовления и технологии юстировки. В результате некоторые сборки устанавливаются приближённо, а погрешности их установки компенсируют точными подвижками элемента, заранее выбранного для этой цели. Другими словами, не все сборочные единицы установлены совершенно точно, но общее требование к тракту в целом тем не менее оказывается выполненным.

Источник: С. И. Грызулин, «Юстировка оптических трактов», глава 2 (фрагмент, публикуется с сокращениями). О самом авторе и его работе читайте в воспоминаниях С. И. Грызулина. Задачи такого рода ЮСТАС выполняет в направлении специальной и промышленной геодезии.