СПОСОБ ФИГУРАЦИИ МНОГОАПЕРТУРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1997 года по МПК G03H1/22 

Изобретение относится к технической физике, причем предпочтительным является его использование в оптической астрономии для построения когерентных систем из телескопов.

При проектировании и эксплуатации многоапертурных оптических систем (МОС) встает задача их фигурации. Простейшей и в то же время одной из наиболее широко используемых разновидностей МОС является интерферометр Майкельсона, поэтому проблему фугуризации рассмотрим применительно к такой системе.

При построении изображения какого-либо источника излучения необходимо соблюдение геометрического подобия изображений входных зрачков системы на фокусирующей плоскости их действительному положению в системе. Проблема выполнения этого условия носит название проблемы фигуризации. Несоблюдение условия фигуризации, проявляющееся в относительном сдвиге изображений входных зрачков системы на фокусирующей поверхности, приводит к смещению интерференционной картины изображения и, как следствие, к резкому ухудшению качества регистрируемого изображения. Проблема фигуризации состоит в выявлении и компенсации этого сдвига.

Известен способ фигуризации МОС, основанный на использовании вспомогательных лазерных пучков, распространяющихся от плоскости регистрации изображения до уголковых отражений, расположенных на приемных зеркалах системы, и обратно. такой способ применен в многозеркальном телескопе ММТ (США).

Но такой способ фигуризации является неэффективным, так как из-за высокочастотных наклонов лазерных пучков, вызванных атмосферными неоднородностями (внутренняя турбулентность), величину смещения определяют некорректно.

Известен также способ фигуризации МОС, основанный на регистрации изображения и максимизации числа наблюдаемых интерференционных полос путем изменения положения субапертур системы. Этот способ применен в интерферометре 12Т (Франция).

Основным недостатком этого способа является понижение точности, обусловленная тем, что в малом спектральном диапазоне число наблюдаемых интерференционных полос при изменении получения субапертур меняется незначительно, и точно найти точку максимума не представляется возможным. Кроме того, достигаемое данным способом состояние фигуризации оказывается корректным только для этого (одного) углового положения источника, при изменении которого необходимо повторять процесс фигуризации. Следует отметить также и длительность процесса фигуризации, обусловленную необходимостью многократных повторений регистрации и счета полос интерференционной картины.

Известен также способ фигуризации МОС, основанный на предварительном фазировании системы, регистрации изображения внеосевого источника излучения, включающего набор интерференционных полос, определении величины дефигуризации системы путем сравнения вычислительных распределений средней интенсивности и видности полос, определяемой по измеренному распределению контраста, и компенсации этой величины измеренному распределению контраста, и компенсации этой величины [1]
Основным недостатком этого способа является его пониженная точность, обусловленная тем, что необходимое при этом способе предварительное фазирование МОС не может быть выполнено указанным способом с точностью более, чем 3λ (авт. св. СССР N 222230). Следовательно, и сам процесс фигуризации МОС будет обеспечивать точность, как минимум, не более 3λ. Кроме того, необходимость применения предварительного процесса фазирования нежелательна также еще по двум причинам. Во-первых, это снижает возможности применения указанного способа ко всем без исключения МОС, так как возможен класс систем, наличие точных систем фазирования для которых не является необходимым условие их работоспособности. Во-вторых, необходимость предварительного фазирования МОС ведет к увеличению времени процесса фигурирования, что также является нежелательным.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является способ измерения величины дефигурации МОС, предложенный авторами Бакутом и др. [2] Данный способ основан на том, что после регистрации изображения внеосевого источника излучения, включающего набор интерференционных полос, и измерения расстояния между максимумами распределений средней интенсивности изображения и видности полос, измеряют на величину, соразмеримую с половиной угла поля зрения системы, положение источника излучения относительно оптической оси системы и осуществляют повторные регистрацию изображения и измерения расстояния между максимумами распределенной средней интенсивности изображения и видности полос в нем, и определяют величину дефигуризации по разности измеренных расстояний. Путем последующей подвижки зеркал переноса изображения добиваются состояния сфигуризованности МОС.

Основным недостатком этого способа является длительность процесса фигуризации МОС, который занимает приблизительно 40 с (время, необходимое для поворота системы (изменения углового положения источника в поле зрения) 10 с, время, необходимое для регистрации и вычисления величины дефигуризации, - 15 с). Кроме того, необходимо отметить пониженную точность фигуризации (ошибка фигуризации на краю поля зрения системы 0,5λ), обусловленную невозможностью точного определения расстояния между максимумами распределений средней интенсивности изображения и видности полос (причем эта операция повторяется дважды, т.е. ошибка измерений суммируется).

Целью изобретения является увеличение точности фигуризации при одновременном ускорении процесса фигуризации.

Следует также отметить, что предлагаемый способ фигуризации позволяет одинаково успешно работать с любым классом источников излучения, в то время как способ-прототип при работе по протяженному источнику дает еще более низкую точность процесса фигуризации в силу того, что случаю протяженного источника соответствует пониженный контраст регистрируемой интерференционной картины.

Поставленная цель достигается тем, что предварительно определяют угловое смещение b_c наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы, измеряют величины Δκ_i дефигуризации световых пучков в каждом i-ом канале МОС и, осуществляя перенос световых пучков, изменяют их углы наклонов на величины Δκ_iβ_c, формируя тем самым на фокусирующей поверхности сфигурированные световые пучки, т.е. добиваются состояния сфигуризованности МОС.

Отличительные признаки изобретения:
1. Предварительное определение углового смещения β_c наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы.

2. Измерение величины Δκ_i дефигуризации световых пучков в каждом i-ом канале МОС.

3. Изменение углов наклонов переносимых световых пучков на величины Δκ_iβ_c.
Признак 1 известен из других технических решений (SPIE, 1982, vol. 332, p.491).

Признаки 2 и 3 являются новыми по отношению к прототипу и неизвестны из других технических решений, так как описаний процессов измерения величин Δκ_i дефигуризации световых пучков в каждом i-ом канале МОС (i=I,N) и измерения углов наклонов переносимых световых пучков на величины Δκ_iβ_c в патентной и научно-технической литературе не выявлено.

Признак 1 в предлагаемом техническом решении реализует свою известную функцию, однако совместно с новыми признаками 2 и 3 он позволяет всей совокупности существенных признаков проявить новые свойства, заключающиеся в достижении положительного эффекта, указанного в цели изобретения.

Дадим краткое математическое обоснование предложенного способа.

Пусть приходящее от объекта световое излучение принимают в плоскости с помощью N_a входных апертур диаметра D, оптические оси которых смещены относительно общей оптической оси системы на векторы (i=I,N_a). Принятые пучки излучения коллимируют в телескопических системах каждого приемного канала, при этом сжимая их в поперечном размере в κ_i раз ( κ_i - коэффициент углового увеличения соответствующей телескопической системы). Затем сжатые пучки с помощью специальной системы, включающей в себя управляемые по наклонам плоские зеркала и зеркала, перемещение которых изменяет длину оптического пути (ДОП), переносят в точки фокусирующей плоскости , при этом изменяя на α_i углы наклонов волновых фронтов сжатых пучков и внося разности хода S_i и фокусируют преобразованные пучки в плоскости регистрации изображения где F фокусное расстояние фокусирующей системы).

Для уяснения физической сущности и с целью упрощения математических выкладок рассмотрим простейшую многоапертурную систему, состоящую всего из двух приемных каналов. Отметим, что полученные далее выводы могут быть целиком распространены на случай произвольной МОС с любым числом апертур, используя принцип суперпозиции.

Изображение I(ν) неразрешаемого отдельными апертурами источника излучения угловой протяженности β_o(β_o<λ/D, где λ длина волны излучения), наблюдаемого под углом β относительно оптической оси системы, может быть представлено в виде 3-х компонент: двух субизображений, соответствующих отдельным пучкам, и интерференционного члена, координаты центров равны соответственно:

Учитывая, что в любой МОС прежде всего необходимо обеспечивать наложение отдельных субизображений и оценивая их ширину как λ/d (где d=D/κ/ ), получаем условие наложения в виде

Считая это неравенство выполненным, для I(ν) можно использовать приближенное выражение вида:

где
Δλ ширина используемого спектрального диапазона ();
угловой спектр наблюдаемого объекта;
I_o(ν) формируемое отдельной апертурой изображение осевого точечного источника.

Из (3) видно, что гармоника exp (2πifβ) с пространственной частотой f=l₁₂/λ несет информацию об угловом спектре объекта на частоте L₁₂/λ, и для сохранения этой информации, кроме выполнения (2), необходимо также, чтобы

Появление сложного условия в правой части (4) объясняется тем, что в случае, когда ширина интерференционной картины λ²/Δλ•l₁₂ превышает ширину субизображения λ/d для сохранения интерференционности достаточно, чтобы отклонение не превышало полуширины картины, а в обратной ситуации - наоборот.

В идеальной системе, где выполняется золотое правило фигуризации (Traub W.A. Appl. Opt.1986, v.25, n.4, p.528) вида κ₁=κ₂=κ₁, где κ=L₁₂/l₁₂:d_i=S_i=0. При этом допустимые отклонения на Δκ_i= κ_i-κ определяются следующим образом:
.

Отклонения Dk_i реальных значений κ_i от требуемого κ можно эффективно компенсировать путем внесения поправок a_i в углы наклонов соответствующих волновых фронтов: α_i=(κ-κ_i)β.

Причем эти поправки можно как автоматически рассчитывать по данной зависимости, так и подбирать путем смещений центров субизоражений в расчетное положение κβ. При этом требуемая точность Da отработки данных поправок легко может быть получена из выражений (1) и (4) в виде
Da≅ λ/4d. (6).

Переход к МОС с числом субапертур N_a осуществляется достаточно просто, если учесть, что МОС при N_a > 2 можно рассматривать как простую сумму интерферметров Майкельсона.

В заключении снимем ограничение на размер объекта. В случае, когда β_o≥ λ/D, величины вносимых поправок α_i следует рассчитывать относительно центральной точки объекта β_c:
α_i=(κ-κ_i)•β_c (7).

Таким образом, определив угловое смещение β_c наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы и измерив величины Δκ_i дефигуризации световых пучков в каждом i-ом канале МОС (Δκ_i=κ-κ_i; величины κ_i определяются точностью изготовления телескопических систем отдельных каналов МОС и могут быть достаточно просто измерены, величина κ определяется конструкцией и назначением самой МОС), и изменив углы наклонов a_i переносимых к общей фокусирующей поверхности световых пучков на величины Δκ_iβ_c/ мы тем самым однозначно добиваемся состояния сфигуризованности МОС, формируя на фокусирующей поверхности уже сфигуризованные световые пучки.

На чертеже представлена возможная схема устройства, реализующего предложенный способ.

Приняты следующие обозначения: 1 принимаемое световое излучение; 2 - телескопическая система; 3 светофильтр; 4 полупрозрачное зеркало; 5 - система плоских зеркал; 6 фокусирующая система; 7 датчик волнового фронта; 8 микропроцессор, осуществляющий вычисление величины κ_i; 9 - микропроцессор, осуществляющий вычисление величины Δκ_i; 10 квадратный фотоприемник; 11 устройство вычисления углового смещения β_c; 12 - микропроцессор, осуществляющий вычисление величины угла наклона α_i; 13 - устройство подвижки зеркал.

Реализация предложенного способа осуществляется следующим образом. Принимаемое телескопической системой 2 световое излучение от объекта 1 при помощи системы плоских зеркал 5 и фокусирующей системы 6 фокусируется на входном окне устройства регистрации квадрантном фотоприемнике 10. Устройство 11 определяет величину углового смещения β_c наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы по величине смещения энергетического центра тяжести изображения на входном окне приемника 10. Сменный светофильтр 3 используется для выбора требуемого спектрального диапазона. Полупрозрачные зеркала 4 осуществляют отбор части светового пучка для датчиков волнового фронта 7, которые определяют наклоны приходящего волнового фронта (допустим, α_пр) и волнового фронта после телескопической системы 2 ((κ_iα_пр, где κ_i коэффициент углового увеличения соответствующего канала МОС). Микропроцессор 8 по найденным величинам α_пр и κ_iα_пр определяет величину κ_iw данного канала. Микропроцессор 9 определяет величину дефигуризации Δκ_i(Δκ_i=κ-κ_i), величина κ является технической характеристикой системы, т.е. известной величиной) в данном канале. Микропроцессор 12 вычисляет требуемые величины изменений наклонов волновых фронтов a_i (выражение (7)) по полученным из устройств 9 и 11 данным. Найденные значения α_i отрабатываются исполнительным механизмом 13 - устройством подвижки зеркал переноса.

Отметим, что устройства 8, 9, 11 и 12 легко могут быть реализованы на базе простейших аналого-цифровых элементов. В качестве датчиков волнового фронта 7 могут быть использованы хорошо известные гартмановские датчики (Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии. М. Наука, 1980, с. 71).

Оценим преимущества предложенного способа. В качестве меры степени повышения точности фигуризации МОС примем ошибку фигуризации. Проведенное на предприятии машинное моделирование с использованием вычислительного комплекса Photomation P-1700 CM-1420 СВИТ предложенного способа фигуризации и способа-прототипа показало, что выигрыш в точности фигуризации составляет приблизительно в 2 раза. В то время как в способе-прототипе ошибка фигуризации составляет 0,5λ на краю поля зрения системы, в предложенном способе указанная величина характеризуется значением 0,2 0,26 l в пределах всего поля зрения системы.

Степень ускорения процесса фигуризации оценим исходя из среднетехнических характеристик существующих в настоящее время систем указанного класса. Для поворота системы (изменения углового положения источника в поле зрения) необходимо приблизительно 10 с, а для регистрации вычисления дефигуризации еще необходимо (при существующих сейчас системах обработки астрономических измерений) приблизительно 15 с. Суммарное время, необходимое для проведения операции фигуризации МОС по способу-прототипу, таким образом, равно приблизительно 40 с. Время, необходимое для определения углового смещения наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы, составляет 5 с. Измерение величины дефигуризации производится микропроцессором параллельно для всех каналов МОС за время 5 с. Изменение углов наклонов световых пучков требует еще порядка 2 с. Таким образом, суммарное время, необходимое для проведения операции фигуризации предложенным способом, составляет приблизительно 12 с. Т. е. ускорение процесса фигуризации составляет 3,3 раза. (Приведенные выше временные характеристики получены усреднением аналогичных данных для существующих в настоящее время МОС 12Т, G12T (Франция), ММТ (США), которые описаны, например, SPIE,1982, v.332, p.2-7; Appl. Opt.1985, v. 24, n.16, p.2565-2576; Astron. Astrophys, 1986, v.162, n.1-11, p.359-364; Modern Astrometry, IAV Cslloa. Vienna,1978, n.49, p.313-324; J.Optics, 1984, v. 15, n. 4, p. 171-182; SPIE, v.288, p.545-550; National New Tellescope: Technology Telescope Development Program Report N 8, March, 1986, Tucson, Arizona, USA.)
Преимущества предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в повышении точности процесса фигуризации в 2 раза при одновременном ускорении процесса фигуризации в 3,3 раза.

Следует также отметить еще одно преимущество предложенного способа, а именно, его работоспособность при наблюдении источника любой угловой протяженности, чего не может обеспечить прототип.

Использование: в технической физике. Сущность изобретения: в способе фигуризации многоапертурной оптической системы предварительно определяют угловое смещение наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы. Осуществляют перенос световых пучков и формируют на фокусирующей поверхности сфигуризованные световые пучки. 1 ил.

Способ фигуризации многоапертурно-оптической системы, заключающийся в приеме коллимированных световых пучков излучения от наблюдаемого объекта, переносе на общую фокусирующую поверхность для регистрации изображения, отличающийся тем, что, с целью расширения класса наблюдаемых объектов и повышения точности фигуризации, предварительно определяют угловое смещение β_i наблюдаемого объекта относительно оптической оси системы, измеряют величины Δχ_i дефигуризации световых пучков в каждом i-том канале многоапертурной оптической системы и после переноса световых пучков излучения изменяют их углы наклонов на общую фокусирующую поверхность на величины Δχ_iβ_i.и