способ аттестации телескопа

Формула изобретения

СПОСОБ АТТЕСТАЦИИ ТЕЛЕСКОПА, включающий регистрацию предфокальных и зафокальных снимков Гартмана пропускаемого через телескоп излучения источника света и формирование по снимкам карты аберрационных искажений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве источника света используют широкополосный точечный излучатель, излучение которого модулируют в отверстиях диафрагмы Гартманна путем пропускания через узкополосные спектральные фильтры с различными диапазонами длин волн, а регистрацию снимков проводят на спектрально-чувствительном фотоматериале, при этом раздельно измеряют координаты пятен различных спектральных диапазонов на каждом снимке, используя набор светофильтров, соответствующих установленным в отверстиях, сшивают результаты измерений, а карту аберрационных искажений формируют после усреднения результатов измерений по предфокальным и зафокальным снимкам.

Описание изобретения к патенту

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 в 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 и является теоретической основой для разработки ряда современных методов аттестации телескопа [1]

В реальных условиях атмосферной эксплуатации телескопа создание модели точечного источника излучения является задачей практически нереализуемой. Поэтому был предложен ряд способов аттестации телескопа, основанных на получении гартманнограмм пропускаемого через аттестуемый телескоп светового излучения естественного точечного источника (звезды) и восстановлении по ним карты аберрационных искажений [2]

Существенным недостатком предложенных способов является то, что они принципиально не позволяют осуществлять точный экспресс-контроль формы зеркала телескопа в процессе его изготовления в цеховых условиях. В последние годы в связи с резким увеличением производства телескопов с большим диаметром апертуры (D > 1 м) проблема точного контроля качества зеркала в процессе изготовления является особенно актуальной. В связи с этим был предложен ряд современных методов, основанных на использовании классической идеи Гартманна и позволяющих проводить эффективную аттестацию зеркала телескопа в цеховых условиях [2, 3]

Наиболее близким по технической сущности к изобретению (прототипом) является способ аттестации телескопа, основанный на регистрации предфокального и зафокального снимков Гартманна и формировании по ним карты аберрационных искажений телескопа [4]

Существенным недостатком прототипа, 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.

Целью изобретения является повышение точности аттестации телескопа путем спектрального разделения пятен, соответствующих соседним отверстиями диафрагмы Гартманна.

Поставленная цель достигается тем, что используют широкополосный точечный источник, спектрально модулируют излучение этого источника в отверстиях диафрагмы Гарманна путем пропускания его излучения через узкополосные спектральные фильтры с М (М=9) различными средними длинами волн, регистрируют предфокальный и зафокальный снимки Гартманна на спектрально-чувствительный фотоматериал, раздельно замеряют координаты пятен с различными длинами волн на каждом снимке, используя набор из М светофильтров, соответствующих установленным в отверстиях, сшивают результаты измерений и после их усреднения по предфокальному и зафокальному снимкам формируют карту аберрационных искажений телескопа.

На фиг. 1 представлена схема расположения спектральных фильтров в отверстиях диафрагмы Гартманна; фиг.2 иллюстрирует соотношение между спектром излучения точечного источника, полосами пропускания фильтров и кривой спектральной чувствительности фотоматериала; на фиг.3 представлена схема реализации предлагаемого способа.

В состав схемы входят: широкополосный точечный источник излучения 1, полупрозрачное светоделительное зеркало 2, диафрагма 3 Гартманна, набор узкополосных спектральных фильтров 4, аттестуемое зеркало 5, устройства регистрации 6, 7 предфокального и зафокального снимков Гартманна, устройство 8 измерения координат центров пятен на снимках Гартманна, устройство 9 обработки результатов измерений.

Дадим краткое математическое обоснование способа и рассмотрим его реализацию по схеме, представленной на фиг.3.

Основу метода Гартманна и его многочисленных модификаций составляет разбиение световой волны, падающей на исследуемую оптическую поверхность, на отдельные пучки. Это разбиение достигается размещением по пути световой волны 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 плоскостях телескопа (N число отверстий в диафрагме Гартманна). Положение каждого изображения зависит от наклона (фазы) субволнового фронта (участка полного фронта, ограниченного отверстием в диафрагме). Измерив смещение каждого изображения относительно его известного идеального положения, можно определить искажения волнового фронта, обусловленные аберрациями телескопа. Действительно, обозначив искажения волнового фpонта для ij-го изображения через W_ij (U, V), для малых наклонов можно записать

W_ij(U,V) (Ux_ij+Vy_ij)

(1)

Здесь ij порядковый номер отверстия в диафрагме Гартманна (отверстия расположены в узлах квадратной сетки), и x_ij, y_ijизменение координат ij-го 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

x_ij

(2)

y_ij

Таким образом, измерив y_ij и x_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 x_ij и y_ij определяются по двум снимкам, предфокальному и зафокальному, по формулам:

x_ij=

(3)

y_ij= где x"_ij, y"_ij и x"_{i j}, y"_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 монографии [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 представлена в [4] (с.79). 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 из 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 (фиг.1). Дифракционный размер пятна вблизи фокуса составляет

L₁ 2,4 F/d, (4) где 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 <
L₂ > L₁. (6)

Подставляя (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 работе [4, с. 68] при изготовлении диафрагмы должно быть удовлетворено конструктивное требование

0,5

(8)

Учитывая, что число отверстий N в диафрагме связано с их межцентровым расстоянием соотношением вида

N

(9) где D диаметр телескопа, преобразуем неравенство (8) к виду

N < N₁=

(10)

Входящие в правую часть выражения (10) параметры D, F, 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.

Суть изобретения заключается в том, что путем спектральной модуляции аттестующего излучения в плоскости диафрагмы удается существенно снизить (в 3 раза) ограничение (10), накладываемое эффектом перекрытия изображений отверстий.

Действительно, пусть спектр излучения используемого при аттестации точечного источника имеет вид, определяемый кривой а на фиг.2. Установим в отверстиях диафрагмы по схеме, представленной на фиг.1, узкополосные спектральные фильтры с центральными частотами ₁,₂,₉. В этом случае, регистрируя снимок Гартманна на фотоматериал, кривая спектральной чувствительности которого имеет гребенчатый вид (кривая б, фиг.2), получим изображения пятен на различных частотах. Иначе говоря, изображения соседних пятен будут "разноцветными". Тогда, проводя измерения координат центров соседних пятен на измерительном столе последовательно через узкополосные светофильтры ₁, ₂, ₉ аналогичные установленным в отверстиях, мы сможем отселектировать перекрывшиеся изображения соседних отверстий. В этом случае минимальное расстояние между отверстиями, пятенные изображения которых мы не сможем разделить при обработке, составит уже не Z (шаг сетки отверстий), как в способе-прототипе, а согласно схеме (фиг.1),

Z₁ 3Z. (11)

Очевидно, что в этом случае ограничение (8) примет вид

Z > Z 1,26F

(12) а ограничение (10)

N < N₂=

(13)

Таким образом, использование изобретения позволяет расположить на диафрагме Гартманна в N₂/N₁ 3,03 раза больше отверстий, чем в способе-прототипе, что позволит значительное повысить точность аттестации. Действительно, точность построения нормального профиля поверхности зеркала (карты аберрационных искажений телескопа) составит [4, с.75]

а) для способа-прототипа

₁=

(14)

б) для предлагаемого способа

₂=

(15) где инструментальная точность измерений снимка Гартманна. Отсюда следует, что достигаемое уменьшение расстояния между двумя отверстиями приводит к повышению точности аттестации в ₁/₂ 1,74 раза.

Pеализация способа по схеме, представленной на фи.3, осуществляется следующим образом.

Излучение широкополосного точечного источника 1, расположенного в фокальной плоскости оптической системы, направляют с помощью полупрозрачного светоделительного зеркала 2, установленного под углом 45^о относительно оси оптической системы, на поверхность аттестуемого зеркала 5. Вплотную к аттестуемому зеркалу устанавливают диафрагму 3 Гартманна, в отверстиях которой по схеме, представленной на фиг.1, располагают набор узкополосных спектральных фильтров 4. Затем регистрируют распределения интенсивности отраженного от поверхности зеркала излучения в предфокальной и зафокальной плоскостях на спектрально-чувствительную фотопленку, используя для этой цели устройства регистрации 6, 7 предфокального и зафокального снимков Гартманна соответственно. Обмер полученных снимков производят с помощью устройства измерения 8 координат центров пятен на снимках Гартманна (типа "Аскорекорд") последовательно через светофильтры, аналогичные установленным в отверстиях диафрагмы. Результаты измерений вводят в устройство обработки 9 (ЭВМ), вычисляющее по стандартной методике метода Гартманна карту аберрационных искажений телескопа.

Как было показано выше, положительный эффект от использования изобретения заключается в повышении точности аттестации телескопа в 1,74 раза.