СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ ТЕЛЕСКОПА В АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к области астрономии, причем предпочтительным является его использование для аттестации телескопов больших апертур.

Известно, что основным способом аттестации телескопа является метод Гартманна, предложенный и описанный им в работе (1).

Этот способ основан на регистрации гартманнограммы пропускаемого через аттестуемый телескоп светового излучения искусственного точечного источника и восстановлении по ней карты аберрационных искажений телескопа.

Основным недостатком такого способа является то, что он применим только в цеховых условиях при изготовлении телескопа, когда искажения светового излучения в турбулентной атмосфере практически отсутствуют.

Известна модификация метода Гартманна, позволяющая его использовать в атмосферных условиях эксплуатации телескопа (2), которая является ближайшим аналогом к изобретению по технической сущности.

Этот способ основан на регистрации гартманнограмм пропускаемого через аттестуемый телескоп светового излучения естественного точечного источника (звезды) с различными временами экспозиции и восстановлении по ним карты аберрационных искажений телескопа.

Основным недостатком этого способа, а также и других способов, основанных на формировании гартманнограмм, является их пониженная точность, обусловленная необходимостью дискретизации аттестующего светового излучения и последующего интегрирования разностных фаз.

Задачей изобретения является повышение точности аттестации телескопов больших апертур.

Указанный технический результат достигается тем, что перед выделением эталонного излучения разделяют аттестующие излучения на два полупучка, соответствующих двум половинам апертуры аттестуемого телескопа, затем формирование эталонного излучения осуществляют путем выделения из аттестующих полупучков двух субпучков, расположенных на расстоянии от плоскости разделения полупучков, равном радиусу апертуры аттестуемого телескопа, и соизмеримых в сечении с размером области корреляции аберрационных искажений аттестующего излучения, короткоэкспозиционную регистрацию N₁ суммарных изображений точечного источника осуществляют по первому аттестующему полупучку и второму эталонному субпучку, а N₂ суммарных изображений по второму аттестующему полупучку и первому субпучку, восстановление карт аберрационных искажений, соответствующих двум половинам апертуры аттестующего телескопа, осуществляют по N₁ и N₂ зарегистрированным изображениям с точностью до фаз эталонных субпучков, после чего корректируют восстановленные карты по фазам эталонных субпучков и формируют полную карту аберрационных искажений телескопа путем сшивания скорректированных карт двух половин его апертуры.

На чертеже представлена возможная схема реализации предложенного способа, где 1 искаженное турбулентной атмосферой световое излучение от точечного источника; 2 аттестуемый телескоп; 3 линза, переводящая сфокусированное телескопом 2 излучение в параллельное излучение; 4 плоское зеркало, с помощью которого осуществляют разделение аттестующего излучения на два полупучка; 5, 6 полупрозрачные зеркала, с помощью которых из полученных полупучков выделяют эталонные субпучки; 7,10 фокусирующая оптика, с помощью которой формируют N₁ и N₂ суммарных изображений точечного источника с последующей их регистрацией на фотопластинах 8, 11; 9, 12 - устройства восстановления карт аберрационных искажений двух половин апертуры аттестуемого телескопа, включают в себя в соответствии с прототипом блоки просвечивания зарегистрированных изображений когерентным излучением, фокусировки просвечивающего излучения, формирования его голограмм и формирования по ним карт аберраций; 13 устройство корректировки восстановленных карт; 14 устройство сшивания скорректированных карт.

Приведем математическое обоснование способа.

Рассмотрим изображения (K 1, N₁), зарегистрированные в узком спектральном диапазоне (это условие обеспечивает независимость атмосферных искажений светового излучения от длины волны) с короткой экспозицией (это условие обеспечивает "замороженность" атмосферных искажений в течение времени регистрации каждого изображения) по первому аттестующему полупучку с полем и второму эталонному полупучку с полем

Пространственный спектр изображения , являющийся Фурье-образом от , на пространственных частотах соответствующих пересечению функции и где апертурные функции, описывающие пространственные области аттестующего и эталонного пучков в плоскости апертуры аттестуемого телескопа (из условий формирования аттестующего полупучка и эталонного субпучка следует, что величина этих частот превышает радиус апертуры аттестуемого телескопа), может быть представлен в виде

где через обозначены аберрации аттестующего пучка, обусловленные турбулентной атмосферой, через обозначены аберрации, обусловленные самим телескопом, а через θrэт

фаза эталонного пучка (из условия его формирования соизмеримости с размером области корреляции аберрационных искажений аттестующего излучения следует, что его аберрации постоянны в плоскости ).

Из выражения (2) следует, что спектр на этих частотах является сверткой неизвестной функции
с известной и по нему стандартным образом, например, с помощью инверсной фильтрации определяют функцию . Затем, выделяя фазу и усредняя ее по N₁ зарегистрированным изображениям (<Φrатм

>= 0), восстанавливают аберрации первой половины апертуры телескопа с точностью до члена . Аналогичным образом восстанавливают аберрации телескопа на второй половине его апертуры по N₂ зарегистрированным изображениям с точностью до усредненной фазы первого эталонного пучка . Для формирования полной карты аберрационных искажений телескопа необходимо скорректировать восстановленные карты, т.к. они не согласованы каждая из них восстановлена с точностью до своей константы. Однако следует заметить, что по условию формирования эталонных субпучков (их выделяют из аттестующих полупучков) усредненная фаза первого эталонного субпучка совпадает с величиной аберрации телескопа в области первой половины апертуры, соответствующей первому субпучку, т.е.

.

Таким образом, восстанавливают две карты: .

Теперь, анализируя значения восстановленных карт в областях V2эт

и V1эт соответственно, получают значение ψ2абер(V2эт)-ψ1абер(V1эт) и корректируют с помощью карты

В результате выполнения корректировки обе карты оказываются согласованными (их константы неопределенности равны), и полную карту формируют путем сшивания скорректированных карт.

Рассмотрим реализацию предложения способа по схеме, представленной на чертеже.

Искаженное атмосферой световое излучение 1 от точечного источника пропускают через аттестуемый телескоп 2 и коллимируют с помощью линзы 3. Затем с помощью плоского зеркала 4 разделяют аттестующее излучение на два полупучка, соответствующих двум половинам апертуры телескопа 2, и выделяют в каждом полупучке полупрозрачными зеркалами 5, 6 эталонные субпучки. По первому полупучку и второму субпучку формируют с помощью оптики 7 и регистрируют на фотопластинках 8 N₁ суммарных изображений точечного источника, а по второму полупучку и первому субпучку формируют с помощью оптики 10 и регистрируют на фотопластинках 11 N₂ суммарных изображений точечного источника. Далее восстанавливают в устройствах 9, 12 карты аберрационных искажений, соответствующие двум половинам апертуры аттестующего телескопа, корректируют восстановленные карты в устройстве 13 и формируют полную карту в устройстве 14 путем сшивания скорректированных карт.

Положительный эффект от использования предложенного способа заключается в повышении точности восстановления карты аберрационных искажений телескопа, обусловленном повышением отношения сигнал/шум в регистрируемых суммарных изображениях за счет повышения степени когерентности аттестующего и эталонного пучков. Действительно, по сравнению с прототипом в предложенном способе расстояние между аттестующим и эталонным пучками в плоскости приемной апертуры аттестуемого телескопа уменьшено в два раза (ранее оно определялось диаметром, а теперь радиусом апертуры). В соответствии с законом 5/3 для структурной функции атмосферных искажений это приводит к уменьшению разности хода между пучками в среднем в 2 5/3 раза, что обуславливает повышение степени когерентности, пропорциональной квадрату разности хода, в 2 5/3 раза. Сигнальная составляющая в суммарном изображении определяется интерференционным взаимодействием аттестующего и эталонного пучков. Таким образом, использование предложенного способа по сравнению с прототипом приводит к повышению отношения сигнал/шум в 2 5/2 раза ≈ 3,2 раза.

Использование: астрономия, для аттестации телескопов больших апертур. Сущность изобретения: способ реализуется устройством, содержащим аттестуемый телескоп 2, линзу 3, переводящую сфокусированное телескопом излучение в параллельное излучение, плоское зеркало, с помощью которого осуществляют разделение аттестующего излучения на два полупучка, соответствующих двум половинам апертур телескопа 2. Далее выделяют в каждом полупучке полупрозрачными зеркалами 5 и 6 эталонные субпучки. С помощью оптики 7 эталонные субпучки регистрируют на фотопластинах 8 N₁ суммарных изображений точечного источника, а по второму полупучку и первому субпучку формируют с помощью оптики 10 и регистрируют на фотопластинах 11 N₂ суммарных изображений точечного источника. Далее восстанавливают в устройствах 9, 12 карты аберрационных искажений, корректируют восстановленные карты в устройстве 13 и формируют полную карту в устройстве 14 путем сшивания скорректированных карт. Повышение точности восстановления карты аберрационных искажений телескопа обеспечивается за счет повышения степени когерентной и аттестующего и эталонного пучков.1 ил.

Способ аттестации телескопа в атмосферных условиях его эксплуатации, включающих экспозиционную регистрацию изображения точечного источника по аттестуемому излучению, прошедшему через апертуру телескопа, и восстановление по нему карты анаберрационных искажений телескопа, отличающийся тем, что аттестуемое излучение формируют в виде двух полупучков, соответствующих двум половинам апертуры аттестуемого телескопа, формируют эталонное излучение путем выделения из аттестующих полупучков двух субпучков, расположенных от плоскости разделения полупучков на расстоянии, равном радиусу апертуры телескопа, и соизмеримых в сечении с размером области корреляции аберрационных искажений аттестующего излучения, осуществляют короткоэкспозиционную регистрацию N₁ суммарных изображений источника по первому аттестующему полупучку и второму эталонному субпучку, а N₂ суммарных изображений по второму аттестующему полупучку и первому эталонному субпучку, восстанавливают карту аберрационных искажений, соответствующих двум половинам апертуры телескопа по N₁ + N₂ зарегистрированным изображениям с точностью до фаз эталонных субпучков, после чего характеризуют восстановленные карты по фазам субпучков и формируют полную карту аберрационных искажений телескопа путем сшивания скорректированных карт обеих половин его апертуры.