Параметрический синтез трехзеркальных оптических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Шепелевич, Андрей Николаевич

• Шепелевич, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шепелевич, Андрей Николаевич

Введение

Глава 1. Исторический аспект развития зеркальных систем астрономических телескопов.

1.1 Рефракторы.

1.2 Рефлекторы.

1.3 Крупнейшие рефлекторы XX века.

1.4 Аберрационные свойства отражающих поверхностей.

1.4.1 Сферическая поверхность.

1.4.2 Декартовы (анаберрационные) отражающие поверхности.

1.5 Перспективы развития создания телескопов.

Глава 2 Параметрический синтез оптической системы из двух отражающих поверхностей вращения второго порядка.

2.1 Понятие тонкого компонента и параметрическое уравнение двухкомпонентной системы отражающих поверхностей.

2.2 Факторы экранирования и угловое поле двухкомпонентной системы отражающих поверхностей.

2.3 Аберрационный расчёт двухкомпонентной системы отражающих поверхностей.

Глава 3 Параметрический синтез трёхзеркальных оптических систем на основе базовой двухзеркальной системы.

3.1 Предпосылки построения трехкомпонентной системы отражающих поверхностей.

3.2 Формирование модели трехкомпонеитной зеркальной оптической системы на основе базовой двухкомпонентной системы отражающих поверхностей.

3.3 Варианты композиции трехкомпонеитной зеркальной оптической системы.

Глава 4 Параметрический синтез трёхзеркальных оптических систем на основе параметрической модели.

4.1 Параметрическая модель трехкомпонентных систем отражающих поверхностей.

4.2 Особенности построения трехкомпонентных систем отражающих поверхностей с внеосевым изображением.

4.3 Исследование характеристик параметров трехкомпонентных систем отражающих поверхностей с внеосевым изображением.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметрический синтез трехзеркальных оптических систем»

Актуальность работы

Развитие средств наблюдения космического базирования определяет потребность в компактных (малогабаритных) оптических системах объективов, обладающих малой массой, формирующих изображение, позволяющее достигать максимальной разрешающей способности. При этом оптические свойства приемников определяют потребность в светосильных оптических системах, формирующих изображение высокого качества по всему угловому полю. Подобные задачи принципиально можно решить с помощью зеркальных систем. Однако, экранирование световых пучков лучей, присущее зеркальным системам, определяет ограничение применяемых в системах элементов, что существенно ограничивает число коррекционных параметров. Кроме того, весьма заметно, особенно на средних пространственных частотах, на контраст изображения влияет центральное экранирование световых пучков лучей. Поэтому разработка методов приемлемой компоновки и расчета таких оптических систем, удовлетворяющих изложенным требованиям, является актуальной задачей исследования.

Цель работы

Разработка методов параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем.

Задачи исследования

1. Выполнить анализ аберрационных свойств отражающих поверхностей.

2. Рассмотреть условия параметрического синтеза двухзеркальных оптических систем.

3. Разработать метод параметрического синтеза двухзеркальных оптических систем.

4. Разработать метод параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем на основе базовой двухзеркальной оптической системы.

5. Разработать параметрическую (математическую) модель трехзеркальной оптической системы и метод параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем на её основе.

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 расчета оптики.

4. Методы оптимизации конструктивных параметров трехзеркальных оптических систем по критериям качества образованного ими изображения.

Научная новизна диссертации

1. Показано, что введение понятия тонкого зеркального компонента позволяет получить удобные в применении соотношения, определяющие габаритные параметры и первичные аберрации оптической системы из двух отражающих поверхностей.

2. Разработан метод параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем на основе базовой двухзеркальной системы при использовании понятия тонкого компонента.

3. Полученная параметрическая модель трёхкомпонентной системы отражающих поверхностей позволяет не только рассчитать оптическую систему с заданными параметрами, но и исследовать взаимосвязь её параметров с характером коррекции аберраций.

4. Введение коэффициентов взаимосвязи в систему тонких компонентов позволило получить уравнение (параметрическую модель), определяющее все многообразие оптических систем из трёх тонких зеркальных компонентов.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Параметрическая модель двухзеркальной оптической системы, полученная на основе введения понятия тонкого зеркального компонента.

2. Метод параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем при промежуточном изображении после второй отражающей поверхности, основанный на применении параметрической модели двухзеркальной оптической системы.

3. Параметрическая (математическая) модель трехзеркальной оптической системы.

4. Метод параметрического синтеза трехзеркальных оптических систем, включая системы без центрального экранирования, основанный на применении параметрической модели трехзеркальной оптической системы.

Практическая ценность работы

1. Параметрическая модель двухзеркальных систем позволяет оценить габариты и аберрационные характеристики разрабатываемых систем.

2. Разработанный метод параметрического синтеза трехзеркальной системы на основе двухзеркальной позволяет обоснованно выбрать параметры составляющих систему коэффициентов.

3. Разработка параметрических методов трехзеркальной системы позволяет не только выполнять её параметрический синтез, но и исследовать взаимосвязь параметров системы с характером коррекции аберраций и с требуемой формой отражающих поверхностей.

4. Разработанная методика проектирования трехзеркальных систем может быть включена в учебную программу по расчету оптических систем.

Апробация работы

Основные результаты работы представлялись на четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2005" (Санкт-Петербург), VII международной конференции "Прикладная оптика 2006" (Санкт-Петербург), на II, III, IV межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург 2005, 2006, 2007), XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава.

По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, 2-ух приложений; содержит 153 страницы.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Шепелевич, Андрей Николаевич

Основные результаты исследований, изложенные в работе:

1. В результате анализа аберрационных свойств изображения, образованного оптической системой, состоящей из двух отражающих поверхностей, получено выражение, из которого следует, что в системе Кассегрена астигматизм третьего порядка в изображении полевых точек определяется положением входного зрачка и поверхности изображения и величиной коэффициента центрального экранирования зрачка. Показано, что если центр выходного зрачка расположен в осевой точке второй отражающей поверхности, то величина астигматизма определяется только величиной коэффициента экранирования и не зависит от положения поверхности изображения.

2. Введение понятия тонкого зеркального компонента позволило получить удобные в применении соотношения, определяющие габаритные параметры и первичные аберрации изображения, образованного оптической системой из двух отражающих поверхностей.

3. Разработан метод параметрического синтеза оптических систем, состоящих из трёх тонких зеркальных компонентов с промежуточным изображением после второго компонента, основанный на применении полученных соотношений для системы из двух компонентов.

4. Выразив взаимосвязь параметров системы тонких компонентов с помощью соответствующих коэффициентов связи, получено уравнение (параметрическая модель), определяющее всё многообразие оптических систем из трёх тонких зеркальных компонентов.

5. Положив в основу параметрическую модель, разработан метод параметрического синтеза оптических систем из трёх тонких зеркальных компонентов.

6. Для типовых случаев построения оптической системы показано, что конкретизация значений коэффициентов, входящих в уравнение, т.е. коэффициентов параметрической модели, определяется требованиями к габаритным параметрам разрабатываемой оптической системы и к коррекции аберраций образованного ею изображения.

7. Применение полученных результатов выполненных исследований проиллюстрировано на примере разработки и расчёта конкретных оптических систем.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шепелевич, Андрей Николаевич, 2007 год

1. Вологдина О.П. - Анализ проблем композиции оптических схем высокоапертурных телескопов. Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Библ. 102 с.

2. Ван-дер-Варден Б. Пробуждающаяся наука II. Рождение астрономии: Пер. с англ./ Под ред. А.А. Гурштейна. М.: Наука. Гл. ред. Физ-мат.лит., 1991,384 с.

3. Томилин А.Н. Небо Земли. Очерки по истории астрономии. Л:, 1974, 334 с.

4. Бахолдин А.В. Исследование и композиция оптических систем высокоапертурных телескопов: Дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Библ. 127 с.

5. Еремеева А.И. Цицин Ф.А. История астрономии. Учебник. - М.: Изд. МГУ, 1989. 349 с.

6. King Н. С. The History of the Telescope. - London, 1955, 456 p.

7. Лейзер Д. Создавая картину вселенной: пер. с англ. / Под ред. А.П. Гришука .М: Мир, 1988, 324 с.

8. Гуриков В. А. История создания телескопа. / ИАИ, Вып. XV, 1980.

9. Вавилов С. И. Собр. соч.: т. III. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 561 с.

10. Леонардо да Винчи Избранные естественнонаучные произведения. -М.: Изд-во АН СССР, 1955. С. 642.

11. Курс астрофизики и звездной механики, т.1./ Под ред. А.А. Михайлова. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1973, 603 с.

12. Мельников О.А., Слюсарев Г.Г., Марков А.В., Купревич Н.Ф. -Современный телескоп. М.: Наука. 1968. 320 с.

13. Зверев В. А., ТочилинаТ. В. Основы проектирования оптических приборов. - Учебное пособие СПб: СПбГУИТМО, 2005.

14. Максутов Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. Изд 2-е. Москва, "Наука", 1984.

15. Зверев В. А., Кривопустова Е. В. Оптика несферических поверхностей. - Учебное пособие СПб: СПбГУИТМО, 2006.

16. Зверев В. А. Основы геометрической оптики. - Учебное пособие СПб: СПбГУИТМО, 2002.

17. Грамматин А.П. Методы синтеза оптических систем. - Учебное пособие, Санкт-Петербург, СПбГУИТМО, 2002.

18. Зверев В. А., Цуканова Г.И., Шепелевич А.Н. Аберрационные свойства оптической системы из двух отражающих поверхностей. - Труды 5 конференции молодых ученых «Оптика 2006», СПб, СПбГУИТМО с. 272.

19. Русинов М.М. Несферические поверхности в оптике. М.: Недра,1973. 296 с.

20. Любарский С. В., Химич Ю. П. Оптические зеркала из нетрадиционных материалов. Оптический журнал. 1994, № 1. - стр.76-83.

21. Mark A. Ealey Silicon Carbide Materials for Optics and Precision Structures, Proc. SPIE, 1995, Vol. 2543, No 10, p. 24-37.

22. Joseph L. Robichaud, Michael I. Anapol, Leo R. Gardner, and Peter Hadfield Ultralightweight off-axis three-mirror anastigmatic SiC visible telescope. Proc. SPIE 1995 Vol. 2543, No 10 p. 180-184.

23. Albert Tebo. Astronomy for the 21" century: new telescope mirror designs, Mounting methods, materials. // OE Reports, № 135, march 1995. p. 1-8.

24. Михельсон H.H. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. -М., "Наука", 1995.

25. Wilson R.N., Delabre В., Franza F. A new 4-mirror optical concept for very large telescopes with spherical primary and secondary mirrors, giving excellent field and obstruction characteristics. // Proc. of SPIE 1994 - Vol. 2199 -P.1052- 1064.

26. Coulter D.R., Jacobson D.N. Technology for the Next Generation Space Telescope // Proc SPIE 7/2000. Vol. 4013. P. 784 - 794.

27. Kilstons, Begley D.L. Next-generation space telescope (NGST) and spasebased optical SETI // Proc/ SPIE 8/2001, Vol. 4273, p.136-143.

28. Зверев В. А., Бахолдин А.В., Гаврилюк А.В. Оптическая схема высокоапертурного телескопа. - Оптический журнал 2001 № 6 с. 6-14.

29. Barden S. Harmer С., Claver C.F., Day А. Optical design for a 1-deg. FOV 30-m telescope. Proc. SPIE 8/2000 V. 4004. p. 397-404.

30. Sasian Jose M. Flat-field, anastigmatic, four-mirror optical system for large telescope. Opt Eng. 1987. V. 26 No 12. p.l 197-1199.

31. Lemaitre G.R. Diffraction-limited 8- to20-m telescope with an active and adaptive tertiary. Proc. SPIE 8/1998. V.3352 p.766-777.

32. Woodgate B.E. 30-meter-diameter telescope in space. // Proc. SPIE 8/1998. V.3356. p.561-574.

33. Родионов С. А., Корепанов В. С.Еськов Д. Н. Бонштедт Б. Э. -Проблемы апертурного синтеза. // Оптический журнал, № 10, 1995.-стр. 1725.

34. Цуканова Г. И. Оптические системы телескопов с синтезированной апертурой. // Оптический журнал, № 9, 1994.- стр.28-31.

35. Meinel А.В. Aperture synthesis using independent telescopes. Appl.Opt. 1970. V.9 No 11. P.2501-2504.

36. Стритматтер П.A. Многозеркальнве телескопы стр. 121-141, кн. Оптические телескопы будущего, пер. с англ., под ред.Ф.Пагини, В. Рихтера, Р. Вильсона. -М.: Мир, 1981, 432 стр.

37. Shumilov Y.P., Bacut Р.А., Grishina I.A., Sychev V.V. Segmented primary mirror telescope image quality estimation.// Proc. SPIE, 7/2000,Vol. 4013, P.262-269.

38. Рябова H.B. Концепция двухступенчатой оптики для крупных телескопов. ОЖ., 1995 № 10, с. 4-12.

39. Шустов Б.М. Большие оптические телескопы будущего. "Земля и Вселенная" №2/2004.40. «Хаббл» наблюдает поверхность Плутона. Новости космонавтики 1996. №5 с. 46-47.

40. Курт В.Г. Космический телескоп "Э. Хаббл" - 15 лет работы. 2005 №6, с. 15-25.

41. Клейменов В.В., Новиков Е.В. Наземные и космические адаптивные телескопы. ОЖ. 1998 № 6 с. 3-15.

42. Korsch D. Optical design considerations for next-generation space and lunar telescopes. Proc. SPIE 1991. p. 111-118.

43. Hanany S., Marrone D. Comparison of designs of off-axis Gregorian telescopes for millimeter-wave large focal-plane arrays. Appl. Opt. 2002, vol. 41, No 22, p. 4666-4670.

44. Lucke R. L., Rickard L. J. Photon-limited synthetic-aperture imaging for planet surface studies. Appl. Opt. 2002. Vol.41, No. 24, P. 5084-5095.

45. Марешаль А., Франсон M. Структура оптического изображения / Пер. с франц. М.: Мир 1964., 295 с.

46. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Д.: Машиностроение, 1969, 672 с.

47. Зверев В.А., Романова Г. Э., Шепелевич А. Н. Вариант композиции зеркально-линзового объектива //Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 8. с. 14—17.

48. Зверев В.А., Шепелевич А.Н. Понятие тонкого компонента в системе отражающих поверхностей. Оптический журнал. 2006. Т.73 №12. С.21-26.

49. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. JL: Машиностроение, 1968. 312с.

50. Зверев В.А. Оптическая система из двух зеркальных поверхностей. ОМП, 1968, №10. С.24-29.

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

52. Власов А.Г., Крупп Д.М. // Оптика и спектроскопия. 1963, XV, вып. 5, стр. 676.

53. Bartkowski Z. Pomiary, automat., kontrola, 1959, 5, №11-12, str.436.

54. Зверев В. А., Шепелевич A.H. Параметрическая модель трехкомпонеитной системы отражающих поверхностей. // Оптический журнал, № 4, 2007.-стр.47-50.

55. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение 1995.400 с.

56. Оптический производственный контроль / Пер. с англ. Под ред. Д. Малакары. М.: Машиностроение. 1985 400 с.122