СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ ТЕЛЕСКОПА Российский патент 1995 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к области оптической астрономии или оптической локации и может быть использовано для точного контроля формы оптической поверхности зеркала телескопа в процессе его изготовления и эксплуатации.

Известен способ аттестации телескопа, основанный на регистрации гартманнограммы (снимка Гартманна) пропускаемого через аттестуемый телескоп светового излучения искусственного точечного источника и восстановлении по ней карты аберрационных искажений телескопа. Этот классический способ предложен и описан Гартманном [1] и является теоретической основой для разработки ряда современных методов аттестации телескопа.

В частности, в настоящее время известен способ аттестации телескопа, основанный на регистрации предфокального и зафокального снимков Гартманна и формировании по ним карты аберрационных искажений телескопа [2]
Существенным недостатком этого способа, как и всех прочих способов аттестации, основанных на использовании идеи Гартманна, является низкая точность. Действительно, контроль формы поверхности зеркала осуществляется только в ряде дискретных точек, соответствующих пятнам на снимке Гартманна. Для более точного описания поверхности зеркала необходимо располагать отверстия на диафрагме Гартманна как можно чаще, однако увеличение числа отверстий на практике ведет не к увеличению точности аттестации, а к ее резкому снижению, так как на гартманнограмме пятна от отверстий начинают перекрываться, что делает невозможным измерение координат их центров.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является способ аттестации [3] основанный на использовании широкополосного точечного источника, спектральной модуляции излучения этого источника в отверстиях диафрагмы Гартманна путем пропускания его излучения через узкополосные спектральные фильтры с М (М=9) различными средними длинами волн, регистрации предфокального и зафокального снимков Гартманна на спектрально-чувствительный фотоматериал, раздельном измерении координат пятен с различными длинами волн на каждом снимке с использованием набора из М светофильтров, соответствующих установленным в отверстиях, сшивании результатов измерений и формировании карты аберрационных искажений после усреднения по предфокальному и зафокальному снимкам.

К недостаткам способа-прототипа относятся:
1. Невысокая точность аттестации телескопа, что обусловлено неполным снятием ограничения на допустимую плотность расположения отверстий на диафрагме Гартманна (существует возможность перекрытия "одноцветных пятен").

2. Непригодность для аттестации линзовых телескопов (рефракторов), поскольку дисперсионные эффекты в преломляющем материале линзы вызывают значительное смещение пятен на гартманнограмме, различное для всех М=9 используемых длин волн.

Целью изобретения является повышение точности аттестации телескопа и расширение области применения путем использования для аттестации телескопов-рефракторов.

Для достижения поставленной цели облучения объектива телескопа осуществляют в узком спектральном диапазоне, линейно поляризуют пучки излучения в отверстиях диафрагмы Гартмана, изменяют направление вектора поляризации в k ≅n фрагментах сечения каждого пучка (n наименьшее целое, большее либо равное числу log₂N, где N количество отверстий в диафрагме) на взаимно ортогональное, однозначно кодируя при этом каждый пучок излучения, перед регистрацией осуществляют поляризационную селекцию суммарного потока излучения, прошедшего диафрагму и объектив телескопа.

На фиг. 1 представлена возможная структурная схема устройства, реализующего данный способ (вариант с телескопом-рефрактором); на фиг.2 схема кодирующей матрицы.

Устройство содержит точечный источник излучения 1, диафрагму 2 Гартманна, набор поляризаторов 3, кодирующую матрицу, объектив 5 телескопа, селектирующий анализатор 6, полупрозрачное зеркало 7, устройство 8 регистрации предфокального снимка, устройство 9 регистрации зафокального снимка, устройство 10 измерения координат центров пятен на снимках Гартманна, устройство 11 обработки результатов измерений.

Кодирующая матрица содержит плоскопараллельную прозрачную пластину 12 из оптически неактивного материала, призмы 13 из оптически активного материала, показаны также границы 14 областей, просвечиваемых пучками излучения.

Дадим краткое физическое обоснование способа и рассмотрим реализацию по схеме, представленной на фиг.1.

Основу метода Гартманна и его многочисленных модификаций составляет разбиение плоского волнового фронта излучения точечного источника, например звезды, падающего на исследуемую оптическую поверхность, на отдельные пучки. Это разбиение достигается размещением на пути излучения экрана с отверстиями, который называется диафрагмой Гартманна. Вне фокуса системы устанавливаются две фотопластины, одна в предфокальной, другая в зафокальной плоскости. Суть аттестации телескопа по методу Гартманна заключается в том, что система из матрицы Гартманна и зеркала телескопа формирует набор из N идентичных изображений точечного источника в предфокальной и зафокальной плоскости (N число отверстий в диафрагме Гартманна). Положение каждого изображения зависит от наклона (фазы) субволнового фронта (участка полного фронта, ограниченного отверстием в диафрагме). Измерив смещения каждого изображения относительно его известного идеального положения, можно определить искажения волнового фронта, обусловленные аберрациями телескопа. Действительно, обозначив искажения волнового фронта для ij-го изображения через W_ij(U,V), для малых наклонов можно записать
W_ij(U,V) (UΔx_ij+VΔy_ij).

(1)
Здесь ij порядковый номер отверстия в диафрагме Гартманна (отверстия расположены в узлах квадратной сетки), Δ x_ij и Δy_ij изменения координат ij-го центра изображения по отношению к идеальным величинам, F фокусное расстояние телескопа, k волновое число, U, V координаты в плоскости установки матрицы Гартманна.

Из соотношения (1) вытекает, что
Δx_ij,
(2)
Δy_ij.

Таким образом, измерив Δ y_ij и Δx_ij, умножив на k/F и проинтегрировав, получим наклоны отдельных субволновых фронтов, сшивая которые, получим фазовый фронт, искаженный аберрациями телескопа, а значит, и карту его аберрационных искажений.

Необходимо отметить, что в способе-прототипе значения Δ x_ij и Δy_ijопределяются по двум откликам, предфокальному и зафокальному, по формулам
Δx_ij= ,
(3)
Δx_ij= , где Δ x'_ij, Δ y'_ij и Δx"_ij, Δy"_ij смещения координат центров пятен от идеального положения на предфокальном и зафокальном снимках соответственно. Такое усреднение устраняет ошибки, связанные с неточными сведениями о самой диафрагме Гартманна.

Очевидно, что чем больше число отверстий N в диафрагме, тем более точно карта аберрационных искажений, построенная по методу Гартманна, будет описывать истинный профиль поверхности зеркала. Наиболее подробно влияние количества отверстий в диафрагме на точность аттестации рассмотрено в [4] Показано, что увеличение числа отверстий в диафрагмах обусловлено требованиями:
а) статистической обеспеченности получаемых сведений об оптической поверхности;
б) адекватности описания локальных экстремумов оптической поверхности;
в) обеспечения заданной надежности при измерениях снимка Гартманна;
г) учета влияния неровностей с малыми размерами.

Все перечисленные требования определяют нижние пределы количества отверстий N в диафрагме, сводная таблица которых представляет в [5] Однако при слишком плотном расположении отверстий на диафрагме вместо ожидаемого повышения точности аттестации наблюдается ее резкое снижение. Обусловлено это тем, что размытые дифракционными эффектами изображения соседних отверстий начинают перекрываться, что, в свою очередь, делает невозможным измерение их координат и последующую обработку.

Оценим верхний предел количества отверстий, определяемый эффектом наложения изображений соседних отверстий. Пусть в диафрагме Гартманна выполнены круглые отверстия диаметром d, а их центры расположены в узлах квадратной сетки со стороной z. Дифракционный размер пятна вблизи фокуса составляет
L₁ 2,4 λ F/d, (4) где λ средняя длина волны аттестующего излучения.

Из чисто геометрических соображений расстояние между центрами пятен составляет
L₂ Tz/F, (5) где Т расстояние от фокальной плоскости до плоскости регистрации (Т <<F).

Для того чтобы пятна не перекрывались, необходимо выполнение условия
L₂ > L₁, (6)
Составляя (4) и (5) в соотношение (6), после несложных преобразований получим неравенство, ограничивающее минимальное расстояние между отверстиями, при котором изображения пятен не перекрываются:
Z > .

(7)
Как показано в [6] при изготовлении диафрагмы должно быть удовлетворено конструктивное требование d/z ≃ 0,5. Тогда, учитывая, что число отверстий N в диафрагме связано с межцентровым расстоянием соотношением вида
N π D²/4z² (8) где D диаметр телескопа, преобразуем (7) к виду
N < N₁=
(9)
Входящие в правую часть выражения (9) параметры D, F, λ являются основными эксплуатационными характеристиками аттестуемой оптической системы и не могут быть изменены в целях повышения точности аттестации. Добиться же повышения точности путем увеличения параметра Т не удается, поскольку этот прием ведет к снижению точности измерений снимка Гартманна и росту требований к точности изготовления диафрагмы.

В способе-прототипе за счет использования спектральной модуляции в отверстиях диафрагмы Гартманна удается ослабить ограничение (9) до величины
N < N₂= ,
(10) т.е. разместить на диафрагме в 3 раза больше отверстий, чем в классическом методе Гартманна.

Суть предлагаемого метода аттестации заключается в том, чтобы полностью снять принципиальное ограничение на количество отверстий, обусловленное перекрытием пятен. Этого можно достичь, закодировав излучение каждого отдельного пучка в плоскости диафрагмы Гартманна. При этом даже в случае перекрытия изображений отверстий (пятен) их можно отселектировать одно от другого, пользуясь имеющимися кодовыми признаками.

Для создания таких признаков предлагается линейно поляризовать излучение в отверстиях диафрагмы Гартманна, используя в качестве поляризаторов поляроиды из кристаллов турмалина или герапатита. Для осуществления собственно кодирования предлагается изменять направление вектора поляризации в фрагментах сечения каждого пучка. Для этого предлагается использовать кодирующую матрицу (см. фиг.2), представляющую собой плоскопараллельную прозрачную пластину из оптически неактивного (т.е. не изменяющего направления вектора поляризации) материала с установленными на ней неповторяющимися комбинациями призм из оптически активного материала, поворачивающих вектор поляризации проходящего через них излучения на угол ϕ 90^о. Число подобных комбинаций призм равно N количеству отверстий. В качестве подобных призм могут быть использованы кварцевые пластинки толщиной
b ϕ /α (11) где α вращательная способность кварца в град/мин. Для зеленой области спектра α 2=7 град/мин.

Отсюда b ≃ 3,3 мм.

Максимальное количество n призм, устанавливаемых в сечении пучка, проходящего через кодирующую матрицу, должно быть таким, чтобы количество возможных комбинаций из них превышало число отверстий в диафрагме Гартманна N, т. е. n ≥log₂N (наименьшее целое, большее либо равное log₂N). Для случая, изображенного на схеме (n= 4), на диафрагме можно однозначно закодировать 16 отверстий, для n 5 32 отверстия, для n 6 64 отверстия и т.д.

При этом, если перед регистрацией пропустить прошедшее диафрагму, кодирующую матрицу и объектив телескопа излучение через селектирующий анализатор, представляющий собой поляризатор с направлением вектора поляризации, коллинеарным векторам поляризаторов, установленных в отверстиях диафрагмы, то изображения отверстий в предфокальной и зафокальной плоскостях, независимо от расположения и перекрытия, могут быть однозначно отождествлены по имеющимся в этих изображениях кодовым признакам темным фрагментам, расположенным соответственно комбинациям призм в кодирующей матрице. При этом полностью устраняется возможность потери точности аттестации за счет перекрытия и неправильного отождествления пятен, что, в свою очередь, обуславливает снятие ограничения (10). Количество отверстий в предлагаемом способе ограничивается только технологическими трудностями изготовления стабильной диафрагмы Гартманна. Кроме того, в отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе используется аттестующее излучение узкого спектрального диапазона, что позволяет применять его для аттестации линзовых телескопов-рефракторов. Способ-прототип не может быть использован в этих целях из-за больших ошибок, связанных с различным влиянием дисперсии материала линзы на спектрально-различные составляющие аттестующего излучения. Реализация предлагаемого способа по схеме, представленной на фиг.1, осуществляется следующим образом.

Излучение узкополосного точечного источника 1 (в качестве аттестующего излучения может быть использовано спектрально-фильтрованное излучение звезды) пропускают через установленные вплотную к аттестуемому объективу 5 телескопа диафрагму 2 Гартманна, в отверстиях которой установлен набор идентичных поляризаторов 3, и кодирующую матрицу 4. При этом осуществляют однозначное поляризационное кодирование каждого пучка излучения из отверстий диафрагмы путем изменения направления вектора поляризации в фрагментах его сечения. Прошедшее через диафрагму 2, кодирующую матрицу 4 и объектив 5 излучение пропускают через селектирующий поляризатор 6, осуществляя при этом поляризационную селекцию, после чего делят отселектированное излучение на два пучка с помощью полупрозрачного зеркала 7, в одном из которых регистрируют распределение интенсивности на фотопленку в предфокальной плоскости с помощью устройства 8 регистрации предфокального снимка, а во втором в зафокальной плоскости с помощью аналогичного устройства 9 регистрации зафокального снимка. Обмер полученных снимков производят с помощью устройства измерения 10 координат центров пятен на снимках Гартманна (типа "Аскорекорд"). Результаты измерений вводят в устройство 11 обработки результатов измерений (ЭВМ), вычисляющее по стандартной методике метода Гартманна [2] карту аберрационных искажений телескопа.

Существенные отличия предлагаемого способа заключаются в
облучении объектива телескопа в узком спектральном диапазоне;
линейной поляризации пучков излучения в отверстиях диафрагмы Гартманна;
изменении направления вектора поляризации в k ≅ n фрагментах сечения каждого пучка (n наименьшее целое, большее либо равное числу log₂N, где N количество отверстий в диафрагме) на взаимно ортогональное с однозначным кодированием при этом каждого пучка излучения;
поляризационной селекции перед регистрацией суммарного потока излучения, прошедшего через диафрагму и объектив телескопа.

Данная совокупность существенных признаков заявляемого объекта является новой и при применении в последовательности, определяемой формулой предлагаемого изобретения, позволяет достигнуть нового качества значительного повышения точности аттестации телескопа и расширения области применения путем использования для аттестации телескопов-рефракторов.

Положительный эффект от использования данного изобретения заключается в
а) повышении точности аттестации телескопа путем снятия принципиального ограничения на количество отверстий;
(Машинный эксперимент по сравнению точности предлагаемого способа и способа-прототипа показал, что точность построения нормального профиля поверхности объектива телескопа-карты аберрационных искажений возрастает в 1,31 раза).

б) расширении области применения, поскольку предложенным способом можно аттестовать не только телескопы-рефлекторы как способом-прототипом, но и телескопы-рефракторы, так как он не чувствителен к эффекту спектральной дисперсии в материале линзы.

Использование: изобретение относится к оптической астрономии или локации. Сущность изобретения заключается в том, чтобы снять ограничение на количество отверстий в диафрагме Гартманна, чтобы исключить перекрытие пятен на снимках. Это достигается путем кодировки излучения каждого отдельного пучка в плоскости диафрагмы Гартманна, что осуществляется линейной поляризацией излучения в отверстиях диафрагмы, а перед регистрацией обеспечивают поляризационную селекцию суммарного потока излучения, прошедшего через диафрагму и объектив телескопа. 2 ил.

СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ ТЕЛЕСКОПА, включающий операции облучения объектива телескопа излучением точечного источника, деление пучка диафрагмой Гартманна, регистрацию предфокального и зафокального снимков Гартманна и формирование по ним карты аберрационных искажений телескопа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения для телескопов-рефракторов, облучение объектива телескопа осуществляют в узком спектральном диапазоне, линейно поляризуют пучки излучения в отверстиях диафрагмы Гартманна, изменяют направление вектора поляризации в k ≅ n фрагментах сечения каждого пучка, где n наименьшее целое, большее либо равное log₂N, а N - количество отверстий в диафрагме, на взаимно ортогональное, а перед регистрацией осуществляют поляризационную селекцию суммарного потока излучения, прошедшего диафрагму и объектив телескопа.