Оптические системы, свойства и методы контроля асферических поверхностей большого диаметра

Астрономические исследования играют огромную роль в формировании научной картины мира и в познании Вселенной. В последние десятилетия астрономическая наука испытывает стремительный подъем и вызывает все больший интерес в научном мире, о чем свидетельствует, например, тот факт, что 2009 год назван международным годом астрономии.

Бурное развитие оптического приборостроения создает предпосылки научных открытий, что можно объяснить глубоким усовершенствованием классических телескопов и созданием принципиально новых ОС. Усовершенствование классических (традиционных) ОС часто приводит к тому, что некоторые их оптические характеристики переходят в разряд экстремальных. Настоящая диссертационная работа посвящена именно экстремальным ОС.

Экстремальными принято называть ОС телескопов, у которых диаметры главных зеркал превышают 20 м [1]. Таковы, например, телескопы E-ELT [4−6], GMT [9], ТМТ [12] и другие. Светосила асферических зеркал телескопов также может принимать экстремальные значения (апертурный угол о превышает 90°, sino= 1). Этим свойством обладает проектируемый радиотелескоп космической обсерватории «Миллиметрон» [2, 3]. Он построен по принципиальной схеме телескопа Кассегрена с главным зеркалом диаметром 12 метровпри этом относительное отверстие главного зеркала имеет экстремальное значение (угол падения крайнего луча на главное зеркало более 45°, апертурные углы обоих зеркал больше 90°). Другим примером экстремальной ОС в области астрономической оптики является европейской экстремально большой телескоп E-ELT {European Extremely Large Telescope) [4 — 6], в котором вторичное выпуклое гиперболическое зеркало имеет наибольшее на сегодняшний день значение светового диаметра, равное шести метрам.

В последние годы разработаны принципиально новые ОС, содержащие зеркала экстремальной формы. Примером этого является ФДС, в которой вторичное зеркало имеет нетрадиционную форму: с нулевым значением радиуса кривизны при вершине зеркала [23].

Таким образом, под экстремальными оптическими системами подразумеваются либо традиционные ОС с экстремальными характеристиками, либо ОС, в которых используются АП, меридиональные кривые которых содержат экстремальные точки (точки максимума или минимума кривой, точки заострения, возврата, изолированные точки и др.).

Применение традиционных методов расчета и исследования экстремальных ОС часто сопряжено с большими трудностями и приводит к к значительным погрешностям результатов расчета.

В этой связи разработка и исследование экстремальных ОС является актуальной научно-технической проблемой.

Цель диссертационной работы заключается в поиске, разработке и исследовании новых зеркальных оптических систем с экстремальными оптическими характеристиками и нетрадиционными формами асферических поверхностей, обеспечивающих решение актуальных проблем оптического производства, недоступных для решения традиционными оптическими системами.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ оптических систем современных крупных оптических телескопов с экстремальными и близкими к экстремальным оптическими характеристикамиисследованы методы контроля фазирования составных зеркал с целью выбора наиболее рационального метода, пригодного для использования в современных оптических и радиотелескопахисследованы методы контроля формы асферических зеркал крупных оптических телескопов.

2. Разработаны методы контроля позиционирования сегментов составного зеркала космического телескопа с «экстремальными конструктивными и оптическими характеристиками.

3. Исследованы возможности создания новых типов двухзеркальных оптических систем с повышенными технологическими характеристиками, обеспечивающих предельно высокие оптические характеристики.

4. Разработаны и исследованы новые методы контроля формы крупных выпуклых асферических зеркал.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы контроля позиционирования сегментов составного параболического зеркала, обладающего экстремальной апертурой (угол падения крайнего луча на главное зеркало более 45°), применение которых возможно как в производственных условиях, так и в автономной космической обсерватории.

2. Получено глобальное решение фокусирующей двухзеркальной системы, позволяющее при заданной форме одного из зеркал определить форму другого зеркала, основываясь на принципе Ферма для осевого пучка параллельных лучей.

3. Разработаны новые методы измерения геометрических параметров и контроля формы выпуклых асферических зеркал крупных оптических телескопов с экстремальными значениями конструктивных параметров.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный триангуляционный метод контроля позиционирования сегментов составных зеркал применим для проверки позиционирования составного параболического зеркала радиотелескопа «Миллиметрон» как в производственных условиях, так и в автономной космической обсерватории и обеспечивает требуемую погрешность контроля не более ±10 мкм.

2. Найденное глобальное решение фокусирующей двухзеркальной системы позволяет синтезировать оптические системы с корригированной сферической аберрацией и необходимыми геометрическими свойствами, в том числе — компактные оптические системы, обладающие минимальными габаритами вдоль оптической оси.

3. Разработанные методы измерения геометрических параметров и контроля формы выпуклых зеркал не требуют применения дополнительных крупногабаритных высококачественных оптических деталей, что позволяет существенно снизить стоимость контроля.

Достоверность выводов диссертационной работы подтверждена как результатами численного математического моделирования, так и результатами выполненных экспериментов.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы на кафедре «Оптико-электронные приборы научных исследований» МГТУ им. Н. Э. Баумана в курсе лекций «Оптические измерения». Результаты работы внедрены на ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» в производственном процессе контроля асферических поверхностей оптических деталей для оптико-электронных изделий специального назначения, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Разработанные методы контроля позиционирования сегментов составных зеркал крупных оптических и радиотелескопов обеспечивают требуемую погрешность контроля как в производственных условиях, так и в автономной космической обсерватории;

2. Новые оптические схемы двухзеркальных оптических систем, содержащие асферические поверхности нетрадиционной формы, обеспечивают полное исправление сферической аберрации при любых апертурах зеркал;

3. Предложенные методы контроля выпуклых асферических поверхностей — интерференционный метод и метод, основанный на неинтерференционном анализе отраженного волнового фронта — обеспечивают необходимую погрешность контроля и не требуют применения дополнительных крупногабаритных высококачественных оптических элементов.

Апробация работы и публикации результатов.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 2 статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК. Материалы диссертации докладывались на 7 конференциях: SPIE Europe Optical Metrology (Munich, Germany, 2009) — Международной конференции «Прикладная оптика — 2008» (г. Санкт Петербург, 2008) — International OSA Network of Students IONS-8 (г. Москва, 2010) — XX Международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Адлер, 2009) — Четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2008) — Третьей Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров, 2009) — IV межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт Петербург, 2007).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 69 наименований цитируемых источников. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 60 рисунков и 13 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Рассчитаны конструктивные параметры оптической системы криогенного радиотелескопа, работающего в спектральном диапазоне длин волн 20 мкм — 20 мм, с экстремальными оптическими и конструктивными характеристиками (вторичное зеркало расположено внутри стрелки прогиба главного, апертурный угол главного зеркала аА > 90°, яшал=1), предназначенного для применения в космической обсерватории «Миллиметрон». В результате аберрационного расчета оптической системы радиотелескопа установлено, что угловое поле, в пределах которого сохраняется дифракционное качество оптической системы на рабочей длине волны 200 мкм, составляет 400 угловых секунд.

1. Предложены и разработаны два метода контроля позиционирования сегментов составного параболического зеркала радиотелескопа «Миллиметрон», один из которых предназначен для использования в производственных условиях (метод с использованием конического зеркала), другой — в автономной космической обсерватории (триангуляционный метод). Оба метода и соответствующие оптические системы для их реализации обеспечивают погрешность контроля позиционирования сегментов не более ±10 мкм, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к позиционированию сегментов главного зеркала радиотелескопа «Миллиметрон».

2. Предложены модификации афокальной двухзеркальной системы со сферическим зеркалом. Разработана оптическая система светосильного зеркального телескопа для визуальных наблюдений.

3. Получено глобальное решение фокусирующей двухзеркальной системы в виде соотношений, позволяющих по известному уравнению поверхности одного зеркала получить уравнение поверхности другого зеркала при условии исправления сферической аберрации осевого пучка лучей. На основании полученных соотношений разработана сверхкомпактная оптическая система со сферическим главным зеркалом. При этом вторичное зеркало имеет форму кардиоиды, а оптическая система является апланатической.

4. Предложен и разработан метод измерения геометрических параметров и контроля формы выпуклых асферических поверхностей, основанный на неинтерференционном анализе волнового фронта, отраженного от контролируемой детали, освещаемой пучком параллельных лучей, ориентированных перпендикулярно ее оси симметрии.

5. Предложен, разработан и экспериментально проверен новый метод интерференционного контроля формы экстремальных выпуклых асферических зеркал, перспективный для автоматизации процесса контроля как шлифованных, так и полированных оптических поверхностей. Погрешность контроля зависит от сочетания конкретных конструктивных параметров контролируемых зеркал, однако для большинства современных крупных выпуклых зеркал она не превышает 0,05А, что приемлемо для проведения аттестационного контроля астрономических зеркал.

Цель, сформулированная в начале диссертации, по мнению автора достигнута.