Анализ и разработка оптических систем адаптивных телескопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Гайворонский, Станислав Викторович

• Гайворонский, Станислав Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гайворонский, Станислав Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОПТИКИ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ

1.2 ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ

1.3 ТИПЫ СИСТЕМ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ

1.3.1 системы фазового сопряжения

1.3.2 системыаиертурного зондирования

1.3.3 сравнительный анализ типовых систем адаптивной оптики

1.4 АНАЛИЗ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ОПТИКИ ТЕЛЕСКОПОВ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

1.4.1 анализ условий совместного применения системы объективов, образующих синтезированную апертуру телескопа

1.4.2 анализ оптической схемы телескопа с синтезированной апертурой, составленной из афокальныхмодулей

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ АДАПТИВНЫХ ТЕЛЕСКОПОВ45

2.1 АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО ТЕЛЕСКОПА НА ОСНОВЕ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХЗЕРКАЛЬНЫХ СИСТЕМ

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТРЁХЗЕРКАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ БЕЗ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ЭЛЕМЕНТАМ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1 ВЫБОР МАТЕРИАЛА ЗЕРКАЛ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

4.1.1 деформация поверхности зеркала

4.1.2 материалы, применяемые для изготовления оптических зеркал

4.2 ДОПУСКИ НА УСТАНОВКУ ЭЛЕМЕНТОВ СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и разработка оптических систем адаптивных телескопов»

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность применения астрономических инструментов определяется, прежде всего, диаметром входного зрачка и качеством изображения. Естественной причиной, весьма сильно влияющей на качество образованного оптической системой изображения, является земная атмосфера, турбулентность которой образует оптически неоднородное поле, после прохождения которого, нарушается пространственная и временная структура оптического излучения. Единственным средством повышения эффективности применения оптических устройств является создание адаптивных оптических систем. В связи с этим, серьезное внимание уделяется зеркальным объективам, на основе которых, как правило, изготавливают крупногабаритные телескопы. Астрономические телескопы на основе зеркальных систем позволяют работать в широкой области спектра, конструкция их легче и компактней, существует возможность совмещения устройства управления волновым фронтом с одним из элементов системы.

Влияние атмосферной неоднородности можно существенно уменьшить, если сплошной входной зрачок телескопа заменить синтезированным из отдельных элементов, в пределах которых должна быть обеспечена возможность независимых от других наклона и поперечного сдвига волнового фронта. В достаточно крупных телескопах апертурной диафрагмой, как правило, служит оправа главного зеркала. Следовательно, именно главное зеркало должно быть синтезировано из отдельных элементов. При этом из соображений технологичности и даже самой возможности практического изготовления зеркала начальная форма его поверхности должна быть сферической. Оптическую систему телескопа со сферическим главным зеркалом можно построить, положив в основу схему классического объектива Грегори. Такая система может получить развитие путём замены главного зеркала двухзеркальной системой, построенной по схеме классического объектива Кассегрена.

Осуществление такой адаптивной системы требует применения большого количества датчиков искажения волнового фронта и такого же количества приводов управления элементами апертуры, обладающих требуемой весьма высокой скоростью отработки отклонений от номинального положения волновых фронтов. Вполне очевидно, что чем сложнее предполагаемая атмосферная неоднородность, тем меньше должен быть размер элемента синтезированной апертуры для её компенсации, а, следовательно, тем больше должно быть датчиков и приводов. В предельном случае, т.е. для полной компенсации деформаций волнового фронта, количество датчиков и приводов должно стремиться к бесконечности. Таким образом, полная компенсация искажений волнового фронта путём применения рассматриваемого метода построения адаптивной системы практически невозможна.

Функцию волновой аберрации, в рассматриваемом случае равной деформации волнового фронта, вызванной атмосферной неоднородностью, принципиально можно аппроксимировать, например, ортогональной системой полиномов Цернике. С другой стороны, если к некоторой пластинке в определённых точках приложить сосредоточенные нагрузки (дискретно расположенные силы) разной величины, то это приведёт к изменению формы поверхности пластинки. Отклонение формы полученной поверхности пластинки от начальной можно также аппроксимировать с помощью системы полиномов. Взаимосвязь деформации отражающей (преломляющей тоже) поверхности с деформацией волнового фронта известна. Поэтому для решения задачи непрерывной компенсации деформации волнового фронта, вызванной атмосферной неоднородностью, важно выбрать деформируемую поверхность оптической системы, что позволит определить возможные параметры деформируемой пластинки.

Для достижения принципиальной возможности создания адаптивного

телескопа при современном уровне технологии изготовления необходимы

разработка конструкции зеркальных оптических систем, содержащих

4

отражающие поверхности, и, прежде всего, главного зеркала сферической формы, разработка параметрической (математической) модели для габаритного и аберрационного анализа её параметров и их расчёта.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы адаптивного телескопа. В задачи исследования входит:

1. Анализ принципиальных схем оптических систем телескопов с синтезированной апертурой при модульной структуре их построения.

2. Анализ зеркальных оптических систем телескопов с синтезированной апертурой.

3. Анализ принципов построения и композиция зеркальных оптических систем телескопов с одним из элементов сферической формы.

4. Обоснование выбора материала и параметров элементов составного главного зеркала оптической системы телескопов.

5. Обоснование требований к параметрам и к положению элементов составного главного зеркала оптической системы телескопов.

Методы исследования

1. Аналитические методы, основанные на применении соотношений параксиальной оптики и теории аберраций третьего порядка.

2. Численные методы параметрического синтеза исследуемых оптических систем.

3. Компьютерное моделирование зеркальных оптических систем, основанное на применении современных программ расчёта оптики.

4. Аналитические и численные методы оценки качества изображения. Научная новизна диссертации

1. Разработан метод параметрического синтеза трёхзеркальной оптической системы без центрального экранирования световых пучков лучей (с внеосевым ходом лучей).

2. Определены условия, при которых одно из трёх зеркал имеет сферическую форму при плананастигматической коррекции аберраций.

3. Определены области решений, при которых осуществимы трёхзеркальные оптические системы без центрального экранирования световых пучков лучей.

4. Предложены варианты композиции и разработан метод расчёта зеркальной оптической системы с главным зеркалом сферической формы при апланатической, анастигматической и плананастигматической коррекции аберраций.

5. Получены аналитические соотношения, определяющие возможность обоснованного выбора требований к элементам составного главного зеркала.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Параметрическая (математическая) модель трёхзеркальной оптической системы, полученная на основе применения понятия тонкого зеркального компонента.

2. Метод параметрического синтеза трёхзеркальных оптических систем без центрального экранирования световых пучков лучей, основанный на применении параметрической модели.

3. Метод параметрического синтеза трёхзеркальных оптических систем с главным зеркалом сферической формы при апланатической коррекции аберраций.

4. Метод параметрического синтеза четырёхзеркальных оптических систем с главным зеркалом сферической формы при апланатической, анастигматической и плананастигматической коррекции аберраций.

5. Аналитические соотношения, позволяющие определить требования к элементам составного главного зеркала.

Практическая ценность работы

1. В работе показано, что при модульном построении оптической системы адаптивного телескопа практически невозможно фазовое сопряжение суммируемых изображений, образованных каждым модулем.

2. Применение параметрической модели трёхзеркальной оптической системы позволяет решать не только задачу параметрического синтеза системы без центрального экранирования, но и задачу компромиссной увязки габаритных параметров системы с характером коррекции аберраций и с требуемой формой отражающих поверхностей.

3. Приведённые в работе варианты композиции зеркальных оптических систем с главным зеркалом сферической формы и разработанный метод их параметрического синтеза позволяют обоснованно выбрать отвечающий требованиям применения вариант схемы оптической системы адаптивного телескопа наземного или космического базирования.

4. Приведённые в работе аналитические соотношения определяют возможность обоснованного выбора требований к элементам составного главного зеркала.

5. Представленный в диссертационной работе материал может найти отражение в учебных программах по проектированию и расчёту оптических систем.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 94 страницы текста, 24 рисунка и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Гайворонский, Станислав Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель диссертационной работы, - разработка теоретических основ обоснованного выбора принципиальной схемы оптической системы адаптивного телескопа, достигнута, сформулированные задачи исследования выполнены. В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1. В оптической схеме телескопа, представляющей собой сочетание независимых объективов, плоскости изображения, образованные ими, наклонены друг к другу, равно как и к общей плоскости регистрации изображения. Показано, что принципиально наклон изображений можно компенсировать наклоном оптических осей объективов, однако при этом фазового сопряжения изображений достичь невозможно.

2. Показано, что в оптической схеме телескопа, образованной сочетанием афокальных модулей, нет принципиальных проблем с фокусировкой и фазовым сопряжением образованных отдельными модулями изображений.

3. В работе приведён разработанный метод параметрического синтеза трёхзеркальной оптической системы без центрального экранирования световых пучков лучей (с внеосевым ходом лучей) с одним из компонентов сферической формы.

4. Применение параметрической модели трёхзеркальной оптической системы позволяет решать не только задачу параметрического синтеза системы без центрального экранирования, но и решать задачу компромиссной увязки габаритных параметров системы с характером коррекции аберраций и с требуемой формой отражающих поверхностей.

5. В работе приведена сравнительная характеристика материалов, применяемых для изготовления оптических зеркал, которая позволяет ориентироваться при выборе требуемого материала зеркал разрабатываемой системы.

6. Приведённые в работе аналитические соотношения определяют возможность обоснованного выбора требований к системе позиционирования элементов составного главного зеркала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гайворонский, Станислав Викторович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тараненко В. Г., Шанин О. И. Адаптивная оптика.— М.: Радио и связь, 1990. — 112 с:

2. Н. W. Babcock, Publ. Astron. Soc. Рас. 65, 229 (1953)

3. V. P. Linnik, Opt. Spektrosk. (USSRK,401 (1957); English translation in F. Merkle. ed.. Active and Adaptive Optics, European Southern Observatory Conf. and Proc. 48, European Southern Observatory, Carching bei Munchen, Germany (1994), p. 535.

4. J. W. Hardy, Scientific American, June 1994

5. D. L. Fried, J. Optical Society of America 56, 1380 1966

6. D. P. Greenwood, J. Optical Society of America 67, 390 (1977)

7. G. A. Tyler, J. Opt. Soc. Am. A, 1, 251 (1984)

8. V. P. Lukin, Atmospheric Adaptive Optics. SPIE Opt. Engr. Press, Bellingham, WA. (1995)

9. R. Foy, A. Labeyrie, Astron. Astrophys. 152, L29 1985

10. R. A. Hutchin, OSA Annual Mtg., San Jose, CA, Paper FH2, 1991

11. R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 1991

12. Адаптивная оптика: Пер. с англ. / Под ред. Э. А. Витриченко. — М.: Мир,. 1980, —456 с.

13. Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы «Гидрометеоиздат» 414 с. 1988

14. Харди Дж. Активная оптика: Новая техника управления световым пучком. - ТИИЭР, 1979, т. 66, №6

15. Воронцов М. А., Шмальгаузен В. И. Принципы адаптивной оптики. — М.: Наука, 1985. —336 с.

16. Мейнел А.Б. Обзор технических возможностей для создания телескопов будущего. Стр. 20-35 в книге «Оптические телескопы

будущего», пер. с англ., под ред. Ф. Пачини, В Рихтера, Р. Вильсона. М.: Мир, 1981.432с.

17. H.H. Михельсон «Оптический телескопы». Теория и конструкция. - М.: Наука, 1976. 512с.

18. Хоффман Е.Э. Техническая сторона МЗТ: история проекта, описание телескопа и состояние дел. Стр. 142-156 в книге «Оптические телескопы будущего», пер. с англ., под ред. Ф. Пачини, В Рихтера, Р. Вильсона. М.: Мир, 1981. 432с

19. Цуканова Т.П. Оптические системы телескопов с синтезированной апертурой. // Оптический журнал, №9, 1994.- стр. 28-31.

20. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1969. 672с.

21. П.А. Стритматтер. Многозеркальные телескопы, стр. 121-141, в книге «Оптические телескопы будущего», пер. с англ., под ред. Ф. Пачини, В. Рихтера, Р. Вильсона.- М.: Мир, 1981. - 432стр.

22. Родионов С.А., Корепанов B.C., Еськов Д.Н.. Бонштедт Б.Э. Проблемы апертурного синтеза. //Оптический журнал, №10, 1995.- стр. 17-25.

23. Гоголев Ю.А., Зверев В.А., Пожинская И.И., Соболев К.Ю. Анализ основных проблем создания оптики крупных телескопов. //Оптический журнал, 1996, №4, стр. 16-32

24. Зверев В.А. Условие синусов апертурного синтеза. //ОМП. - 1989. -№5.-стр. 19-21.

25. Зверев В.А., Родионов С.А., Сокольский М.Н. Проблемы создания адаптивного зеркала. //Изв. АН СССР. Сер.физ. - 1980. - Т.44. -С.2066.

26. Пименов Ю.Д. Оптическая схема телескопа со сферическим главным зеркалом. //ОМП. - 1980. - №7. - С. 11.

27. Mountain С.М., Kurz R., Oschmann J. Gemini 8-m telescopes project. //Proc. OfSPIE.- 1994.-Vol.2199.-P.41

28. Boyarchuk A.A., Steshenco N.A., Belkin N.D., Kaspersky V.B., Syshev V.V. Design project of large astronomical telescope AST-10. //Proc. Of SPIE. - 1994. - Vol.2199. - P.76.

29. Owner-Petersen M., Andersen T. and Ardebery A. Optical desing of a 25-m Telescope for Optical Wavelengths. //Proc. of SPIE. - 1994. - Vol.2199. -P.945.

30. Wilson R.N., Delabre В., Franza F. A new 4-mirror optical concert for very large telescopes with spherical primary and secondary mirrors, giving excellent field and obstruction characteristics. //Proc. of SPIE. - 1994. -Vol.2199. -P.1052.

31. Русинов M.M. Несферические поверхности в оптике. - М.: «Недра», 1973, 296 с.

32. Русинов М.М. Композиция оптических систем. - Д.: Машиностроение, 1989.-383 с.

33. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем. - JL: Машиностроение, 1969. - 672 с.

34. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002.218 с.

35. Picht Joh. Bestimmung eines aus einem beliebigen Paraboloidspiegel und einem Zwei-Spiegel-Zusatzsystem bestehenden Drei-Spiegel-System. Optik, Band 8. Berlin, 1951. S85.

36. Чуриловский B.H. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968 г., стр. 312.

37. Зверев В.А., Шепелевич А.Н Понятие тонкого компонента в системе отражающих поверхностей. // «Оптический журнал», том 73, №12, 2006. Стр. 21-26.

38. Зверев В.А., Шепелевич А.Н. Параметрическая модель трехкомпонентной системы отражающих поверхностей. // «Оптический журнал», том 74, №4, 2007. Стр .47-50

39.

40.

41.

42,

43,

44,

45,

46

47

48

49

50

51

52

Rumsey N.I.A. Optical Instruments and Techniques. London, "Oriel Press", 1970.

Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. JI., «Машиностроение», 1975. 640 с. с ил.

Грамматин А.П., Сычева A.A. Трехзеркальный объетив телескопа без экранирования. «Оптический журнал», том 77, №1, 2010. Стр .24-27. Cook, Lacy G. Reflective optical triplet having a real entrance pupil //U.S. Patent № 4733955, 1988

Борн M., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1975, 855с. Рябова Н.В., Захаренков В.Ф. Активная и адаптивная оптика в крупногабаритных телескопах. //Оптический журнал. 1992, №6, стр.5. Т.К. Карпентер и Дж.. Ринс, Дж. Ф. Лонг, Д.А.У. Тейлор, Д. Уолтшоу, А.Вильсон Особенности конструкции крупных световых коллиматоров оптического и ИК-диапазона; английский 3,8 м инфракрасный телескоп. Стр.54-56 в книге «Оптические телескопы будущего», пер. с англ., под ред. Ф. Пачини, В Рихтера, Р. Вильсона. М.: Мир, 1981. 432стр.

П.А. Стритматтер. Многозеркальные телескопы, стр. 121-141, в книге «Оптические телескопы будущего», пер. с англ., под ред. Ф. Пачини, В. Рихтера, Р. Вильсона.- М.: Мир, 1981. - 432стр.

М.М. Мирошников, C.B. Любарский, Ю.П. Химич. Зеркала оптических телескопов,//ОМП, 1990, № 9. - стр. 3-18.

Физический энциклопедический словарь. /Гл. ред. A.M. Прохоров. -М.: Сов. Энциклопедия. - 1983, 928 стр.

C.B. Любарский, Ю.П. Химич. Оптические зеркала из нетрадиционных материалов, Оптический журнал. 1994, №1. - стр. 76-83. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.:Наука, 1979, 496 с.

Худсон Д. Статистика для физиков. - М.: Мир, 1970. 296 стр. Свешников A.A. Основы теории ошибок. - Л.: ЛГУ, 1972. 122 стр.