КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G02B23/00 G02B23/06 

Изобретение относится к области астрономического приборостроения и может быть использовано при конструировании космических телескопов с управляемой формой поверхности главного зеркала или коррекцией волнового фронта специальными компенсаторами с использованием устройств контроля волнового фронта телескопа.

В настоящее время разработка астрономических космических телескопов ведется по пути увеличения диаметра главного зеркала (ГЗ) с сохранением дифракционного качества изображения в условиях эксплуатации.

Большой диаметр ГЗ и высокое качество изображения телескопа характеризуют эффективность телескопа, возможность наблюдения объектов малых звездных величин. Сохранение качества изображения в условиях эксплуатации обеспечивается адаптацией формы поверхности ГЗ или различными коррекциями. Во всех случаях для обеспечения коррекции волнового фронта необходима система контроля волнового фронта в реальном масштабе времени.

Известен крупногабаритный телескоп БТА, в который введена система контроля волнового фронта телескопа (авт. св. СССР N 652518, G 02 B 23/00, 1976), где точечным источником излучения является звезда, поэтому атмосфера вносит искажения измеряемого волнового фронта и не позволяет применить высокоточный интерферометрический контроль.

Известны интерферометрические методы контроля главного зеркала телескопа из его центра кривизны (авт. св. СССР N 625132, кл. G 02 B 23/00, 1976 г), в который вблизи центра кривизны устанавливается корректор аберраций ГЗ и интерферометр. Применение этих методов в космическом телескопе в условиях эксплуатации неприемлемо из-за больших габаритов телескопа, т.к. длина телескопа с системой контроля почти в два раза превышает длину телескопа без систем контроля. Такой телескоп имеет значительную массу, габариты и непригоден для космического использования.

В качестве прототипа выбран космический телескоп (О'Делл Ч.Р. Современные телескопы. М. Мир, 1984, с.148-186), содержащий оптическую систему с главным и вторичным зеркалом, системы грубого и точного наведения со специальными датчиками гидрирования, приемную систему и интерферометрическую систему контроля формы поверхности главного зеркала. В качестве источника излучения в нем используется естественный точечный источник звезда, изображение которой, получаемое в фокальной плоскости телескопа, является источником излучения для интерферометра сдвига, который расположен за фокальной плоскостью телескопа.

В телескопе обеспечивается возможность измерения волнового фронта и его коррекция изменением формы поверхности главного зеркала.

Облако телескоп обладает рядом существенных недостатков. Для регистрации интерферограммы требуется яркая звезда нулевой и ниже значений звездной величины. Количество таких звезд невелико, поэтому контроль формы поверхности главного зеркала можно осуществлять только в определенное ограниченное время. Низкая освещенность звездной интерферограммы требует времени экспозиции 10-20 сек. Длительное время экспозиции, в свою очередь, требует наличия высокоточной системы гидрирования на звезду, специальных датчиков грубого и точного наведения на звезду, сложных исполнительных устройство компенсации смещения звезды за время экспозиции.

Задача усложняется и тем, что при наблюдении телескопом объектов невозможно одновременно вводить коррекцию волнового фронта, так как обычно наблюдаются слабые объекты, а для контроля нужны яркие звезды.

Все это приводит к удорожанию телескопа и снижает его эксплуатационные характеристики.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции космического телескопа и улучшение его эксплуатационных характеристик (возможность проведения контроля как в нерабочем состоянии телескопа с закрытой крышкой, так и при наблюдении слабых объектов).

Для получения технического результата предлагаются два варианта выполнения космического телескопа. По первому варианту предложен комический телескоп, содержащий главное и вторичное зеркала, систему наведения и гидрирования, приемную систему и систему контроля формы поверхности главного зеркала, включающую точечный источник излучения и интерферометр, отличающийся тем, что система контроля формы поверхности главного зеркала снабжена дополнительным выпуклым или вогнутым зеркалом, установленным между центром кривизны главного зеркала и вторичным зеркалом телескопа и обращенным отражающей поверхностью к главному зеркалу, а точечный источник излучения расположен в плоскости, оптически сопряженный с плоскостью, проходящей через центр кривизны главного зеркала.

Другим вариантом выполнения предложенного устройства является космический телескоп, содержащий главное и вторичное зеркала, систему наведения и гидрирования, приемную систему и систему контроля формы поверхности главного зеркала, включающую точечный источник излучения и интерферометр, отличающийся тем, что система контроля формы поверхности главного зеркала снабжена дополнительным плоским зеркалом, установленным между центром кривизны главного зеркала и вторичным зеркалом телескопа и обращенным отражающей поверхностью к главному зеркалу и линзовым корректором, установленным между дополнительным плоским зеркалом и интерферометром, а точечный источник излучения расположен в плоскости, сопряженной с плоскостью, проходящей через центр кривизны главного зеркала, при этом расстояние d между вторичным и дополнительным плоским зеркалами и расстояние l между вторичным зеркалом и плоскостью, в которой расположен точечный источник излучения, связаны соотношением:

где d₁ расстояние от главного до вторичного зеркала;
D₄ и D₅ соответственно диаметры дополнительного и главного зеркала.

Кроме того, в телескопе по п.1 или п.2 дополнительное зеркало установлено с возможностью поворота на угол ±90^oC вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа, а расстояние между вторичным и дополнительным зеркалами выбрано из условия
d≥0,5 D₄ (2)
где D₄ диаметр дополнительного зеркала.

Сущность изобретения заключается в следующем. Предложено новое выполнение системы контроля ГЗ, которая является конструктивной частью телескопа, обеспечивающей интерферометрический контроль формы поверхности ГЗ. Известно, что необходимым условием интерферометрического контроля является получение автоколлимации от ГЗ. Для этого точечный источник излучения и центр кривизны ГЗ расположены в сопряженных плоскостях. Чтобы осуществить оптическое сопряжение данных плоскостей и уменьшить длину телескопа с системой контроля, введено дополнительное выпуклое или вогнутое зеркало, расположенное между центром кривизны ГЗ и вторичным зеркалом и обращенное отражающей поверхностью к точечному источнику излучения. Для образования интерферограммы ГЗ в схеме контроля применен интерферометр сдвига. Такая конструкция телескопа позволяет контролировать форму поверхности ГЗ вне зависимости от положения телескопа в пространстве, не требует специальных датчиков звезды и системы стабилизации телескопа во время съемки интерферограммы. Применение в системе контроля собственного источника излучения позволяет производить контроль формы поверхности ГЗ в малом временном интервале, проводить контроль в нерабочем состоянии телескопа с закрытой передней крышкой трубы телескопа, а также одновременно с наблюдением слабых объектов. Все это приводит к упрощению конструкции телескопа, а, следовательно, и к его удешевлению.

Другим вариантом выполнения системы контроля формы ГЗ является применение в ней дополнительного плоского зеркала и линзового корректора аберраций ГЗ.

Применение плоского дополнительного зеркала упрощает конструкцию телескопа, т.к. исключается требование к его центрировке. Применение линзового корректора позволяет скомпенсировать сферическую аберрацию, вносимую ГЗ при работе из его центра кривизны, что является необходимым условием при интерферометрическом контроле.

В зависимости от положения дополнительного зеркала относительно вторичного зеркала и изображения источника излучения (точечной диафрагмы) диаметр дополнительного зеркала может быть больше диаметра вторичного зеркала. В этом случае дополнительное зеркало диаметром D₄ увеличивает центральное экранирование. Для исключения его влияния расстояние d между вторичным и дополнительным зеркалами выбираем из условия:
d ≥ 0,5 D₄
а дополнительное зеркало установлено с возможностью поворота на угол ± 90^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа. Для этого при осуществлении контроля формы ГЗ дополнительное зеркало устанавливается перпендикулярно оптической оси, а после проведения контроля оно разворачивается так, что отражающая поверхность зеркала устанавливается параллельно оптической оси телескопа. При этом нежелательное влияние центрального экранирования дополнительным зеркалом в процессе наблюдения объекта исключается.

На фиг. 1 представлена оптическая схема космического телескопа с выпуклым или вогнутым дополнительным зеркалом; на фиг. 2 оптическая схема косметического телескопа с плоским дополнительным зеркалом; на фиг. 3 представлена оптическая схема для пояснения вывода математического выражения, входящего в п. 2 формулы изобретения.

Космический телескоп, выполненный по схеме Ричи-Кретьена содержит источник 1 излучения, микрообъектив 2, полупрозрачное диагональное зеркало 3, расположенные за плоскостью А, которая содержит изображение 1 (точечную диафрагму) источника излучения 1. Дополнительное зеркало 4 расположено между плоскостью B, содержащей центр кривизны C главного гиперболического зеркала 5 и вторичным зеркалом 6 также гиперболической формы. Плоскость B, содержащая мнимое изображение 1'' источника излучения 1, перпендикулярна оптической оси телескопа и оптически сопряжена с плоскостью А, содержащей изображение 1''' источника излучения 1.

Дополнительное зеркало 4, обращенное отражающей поверхностью к главному зеркалу 5, служит для уменьшения длины телескопа с системой контроля, оптического сопряжения плоскостей A и B и компенсации сферической аберрации главного зеркала 5 (в том случае дополнительное зеркало 4 выполняется асферическим). Полупрозрачное диагональное зеркало 3 применено для того, чтобы развести излучение от источника 1 и пучки лучей, идущие от системы зеркала 4 и 5. Диагональное зеркало 7, установленное под углом 45^o к оптической оси телескопа, требуется для исключения экранирования излучения от объекта наблюдения интерферометром сдвига 8, расположенным за диагональным зеркалом 7.

При этом числовая апертура объектива интерферометра 8 больше числовой апертуры пучка излучения, отраженного от главного зеркала 5 и дополнительного зеркала 4. Расстояние от изображения источника излучения 1''' до объектива интерферометра равно рабочему расстоянию объектива интерферометра.

Другим вариантом выполнения предлагаемого устройства является космический телескоп, где дополнительное зеркало представляет собой плоское зеркало 4а (фиг.2), установленное аналогично зеркалу 4 на фиг.1.

Космический телескоп, выполненный по схеме Ричи-Кретьена, содержит источник 1 излучения, диагональное полупрозрачное зеркало 2, корректор аберраций 3 главного зеркала, расположенные за плоскостью А, содержащей изображение 1' (точечную диафрагму) источника излучения 1. Плоскость B содержит центр кривизны C главного зеркала 5 и мнимое изображение 1'' источника излучения 1.

Плоскость B перпендикулярна оптической оси и оптически сопряжена с плоскостью А, также перпендикулярной оптической оси и содержащей действительное изображение 1''' источника излучения 1, построенное дополнительным зеркалом 4а.

Полупрозрачное диагональное зеркало 2 служит для разведения пучков лучей от источника излучения 1 и идущих от системы зеркал 4 и 5. Диагональное зеркало 7 установлено под углом 45^o к оптической оси телескопа и служит для исключения экранирования пучков лучей, идущих от объекта наблюдения интерферометром сдвига 8, расположенным за диагональным зеркалом 7.

При этом световой диаметр пучка лучей, выходящих из корректора 3 (представляющего собой два положительный мениска, обращенных выпуклыми поверхностями к точечному источнику излучения 1'), меньше светового диаметра объектива интерферометра 8.

Расстояние d между вторичным зеркалом 6 и дополнительным зеркалом 4а и расстояние l между вторичным зеркалом 6 и плоскостью А, в которой расположено изображение 1' источника излучения 1, связаны соотношением:

где d₁ расстояние от главного зеркала до вторичного зеркала;
D₄, D₅ соответственно диаметры дополнительного и главного зеркал.

Выражение (1) получено, исходя из следующего.

Известен вариант Аббе, который для отражений поверхности плоского дополнительного зеркала 4а (фиг.3) можно записать в виде:
S=-S' (3)
где S расстояние от отражающей поверхности зеркала 4а до плоскости А, содержащей источник излучения 1';
S' расстояние от отражающей поверхности зеркала 4а до плоскости B, содержащей мнимое изображение 1'' источника излучения 1', построенное дополнительным зеркалом 4а.

Из чертежа фиг.3 видно, что
S=d+l (4)
Чтобы получить автоколлимацию от главного зеркала 5 с радиусом кривизны при вершине R₅, центр кривизны C главного зеркала нужно совместить с плоскостью B, содержащей мнимое изображение 1'' источника излучения 1'. Тогда справедливо следующее выражение:
S'=R₅-d₁-d (5)
Из подобных треугольников, имеющих общую вершину точку C и основания, равные половине диаметров D₅ и D₄ главного и дополнительного зеркал соответственно, можно найти выражение для радиуса кривизны при вершине главного зеркала:

Подставим выражение (6) в (5) и, учитывая равенства (4) и (3), после преобразований получим условие (1):

В зависимости от положения дополнительного зеркала 4 относительно вторичного зеркала 6 и точечного источника 1' излучения, диаметр дополнительного зеркала 4 может быть больше диаметра вторичного зеркала 6. В этом случае дополнительное зеркало 4 диаметром D₄ увеличивает центральное экранирование. Для исключения его влияния расстояние d между вторичным 6 и дополнительным 4 зеркалами выбираем из условия:
d≥0,5D₄ (2)
а дополнительное зеркало 4 установлено с возможностью поворота на угол ±90^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа.

Точечный источник излучения 1' может быть получен (фиг.1) с помощью осветительной системы, состоящей из гелий-неонового лазера 1, например, ЛГМ-207Б (ОДО.397.255 ТУ), микрообъектива малого увеличения 2, например, ОА-6,3 (6,3x0,20) ТУ 3-3.870-83 и точечной диафрагмы, расположенной в плоскости А. В качестве интерферометра 8 может быть использован лазерный интерферометр сдвига.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом.

Излучение от бесконечно удаленного источника 1 попадает в микрообъектив 2, отражается от полупрозрачного зеркала 3 и образует изображение 1' в фокальной плоскости А микрообъектива 2, освещая точечную диафрагму. Далее излучение от точечного источника 1' излучения попадает на дополнительное зеркало 4, отражается от него и попадает на главное зеркало 5. Отраженное от главного зеркала 5 излучение возвращается по тому же пути назад, попадая сначала на дополнительное зеркало 4, а затем пересекает плоскость А в точке 1'''. Точка 1''' является действительным изображением точечной диафрагмы 1' после системы зеркал 4 и 5, а точка 1'' является мнимым изображением точечной диафрагмы 1'. Далее после отражения от диагонального зеркала 7 излучение попадает в интерферометр 8. На приемнике интерферометра 8 образуется интерферограмма главного зеркала 5, показывающая отклонение формы поверхности главного зеркала 5 от идеальной. Главное зеркало 5 выполнено тонким деформируемым. По результатам интерферометрического контроля исполнительными механизмами главного зеркала 5 производится корректировка формы его поверхности.

Устройство на фиг.2 работает аналогично космическому телескопу, представленному на фиг.1.

Излучение от источника 1 отражается от полупрозрачного диагонального зеркала 2, попадает в линзовый корректор 3, который в своей фокальной плоскости А строит изображение 1' бесконечно удаленного источника 1 излучения, освещая при этом точечную диафрагму. Далее излучение попадает на дополнительное плоское зеркало 4а, отражается от него, идет к главному зеркалу 5 и после отражения от него возвращается в точку 1''' по тому же пути. Далее излучение вновь попадает в линзовый корректор 3 и после диагонального зеркала 7 входит в интерферометр 8, на приемнике которого образуется интерферограмма главного зеркала 5.

Как указывалось выше, дополнительное зеркало 4а может быть установлено с возможностью поворота на угол ±90^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа. В этом случае для осуществления контроля главного зеркала 5 дополнительное зеркало 4а устанавливается перпендикулярно оптической оси, а после проведения контроля оно разворачивается так, что отражающая поверхность зеркала 4а устанавливается параллельно оптической оси телескопа. При этом нежелательное влияние центрального экранирования дополнительным зеркалом 4а в процессе наблюдения объекта исключается.

Приведенные конструкции телескопа и описание их работы показывают, что за счет применения в системе контроля формы поверхности главного зеркала собственного источника излучения, не связанного с яркой звездой, дополнительного зеркала выпуклой, вогнутой или плоской формы с корректором аберраций главного зеркала, конструкция телескопа существенно упрощается. Появляется возможность отказаться от специальных датчиков звезды и систем стабилизации телескопа во время съемки интерферограммы.

Предлагаемые конструкции телескопа позволяют также производить контроль формы поверхности главного зеркала в нерабочем состоянии телескопа и за малый промежуток времени. Существенным преимуществом предлагаемой конструкции космического телескопа является возможность одновременного проведения контроля формы поверхности главного зеркала, корректировка его формы и наблюдения за слабыми объектами.

Изобретение относится к области астрономического приборостроения и может быть использовано при конструировании космических телескопов с управляемой формой поверхности главного зеркала или коррекцией волнового фронта специальными компенсаторами с использованием контроля волнового фронта телескопа. Задачей изобретения является упрощение конструкции космического телескопа и улучшение его эксплуатационных характеристик (возможность проведения контроля в нерабочем состоянии, так и во время наблюдения). По первому варианту, сущность изобретения заключается в том, что космический телескоп содержит главное 5 и вторичное зеркала 6, систему наведения и гидрирования, приемную систему и систему контроля формы поверхности главного зеркала 5, включающую точечный источник излучения 1, интерферометр 8, дополнительное выпуклое или вогнутое зеркало 4, установленное между центром кривизны главного зеркала 5 и вторичным зеркалом 6 телескопа и обращенное отражающей поверхностью к главному зеркалу 5, в течение источника излучения 1 расположен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью, проходящей через центр кривизны главного зеркала 5. Космический телескоп, выполненный по 2 варианту, отличается от выше описанной конструкции телескопа формой дополнительного зеркала 4а - оно выполнено плоским, и линзовым корректором 3, установленным между дополнительным зеркалом 4а и интерферометром 1. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Космический телескоп, содержащий главное и вторичное зеркала, систему наведения и гидирования, приемную систему и систему контроля формы поверхности главного зеркала, включающую точечный источник излучения и интерферометр, отличающийся тем, что система контроля формы поверхности главного зеркала снабжена дополнительным выпуклым или вогнутым зеркалом, установленным между центром кривизны главного зеркала и вторичным зеркалом телескопа и обращенным отражающей поверхностью к главному зеркалу, а точечный источник излучения расположен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью, проходящей через центр кривизны главного зеркала. 2. Телескоп по п.1, отличающийся тем, что дополнительное зеркало установлено с возможностью поворота на угол ± 90^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа, а расстояние между вторичным и дополнительным зеркалами выбрано из условия
d ≥ 0,5 D₄,
где D₄ диаметр дополнительного зеркала. 3. Космический телескоп, содержащий главное и вторичное зеркала, систему наведения и гидирования, приемную систему и систему контроля формы поверхности главного зеркала, включающую точечный источник излучения и интерферометр, отличающийся тем, что система контроля формы поверхности главного зеркала снабжена дополнительным плоским зеркалом, установленным между центром кривизны главного зеркала и вторичным зеркалом телескопа и обращенным отражающей поверхностью к главному зеркалу, и линзовым корректором, установленным на оптической оси телескопа между дополнительным зеркалом и интерферометром, а точечный источник излучения расположен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью, проходящей через центр кривизны главного зеркала, при этом расстояние d между вторичным и дополнительным зеркалами и расстояние l между вторичным зеркалом и плоскостью, в которой расположен точечный источник излучения, связаны соотношением

где d₁ расстояние от главного до вторичного зеркала;
D₄ и D₅ соответственно диаметры дополнительного и главного зеркал. 4. Телескоп по п.3, отличающийся тем, что дополнительное зеркало установлено с возможностью поворота на угол ± 90^o вокруг оси, перпендикулярной оптической оси телескопа, а расстояние между вторичным и дополнительным зеркалами выбрано из условия
d ≥ 0,5D₄,
где D₄ диаметр дополнительного зеркала.