УДК 681.7.08
Метод контроля качества выпуклого гиперболического зеркала радиотелескопа космической обсерватории «Миллиметрон»
© Д.Т. Пуряев, В.И. Батшев, О.В. Польщикова МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Предложен неинтерференционный метод контроля качества выпуклого гиперболического зеркала, входящего в состав радиотелескопа космической обсерватории «Миллиметрон». Метод основан на измерении координат световых пятен, образованных узкими световыми пучками, отраженными от контролируемого зеркала. Для реализации разработанного метода, в отличие от известных методов, не требуется применение дополнительных крупногабаритных оптических деталей.
Ключевые слова: радиотелескоп, космическая обсерватория, асферическое зеркало, измерение, контроль.
Введение. Согласно проекту «Миллиметрон» [1-3], предполагается создание космической обсерватории миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн (от 20 мкм до 20 мм) с криогенным телескопом диаметром 10 м. Проект входит в Федеральную Космическую программу, его разрабатывают в АКЦ ФИ-АН под руководством академика Н.С. Кардашева.
В качестве оптической системы телескопа [2] выбрана классическая система Кассегрена (рис. 1). Главное зеркало диаметром 10 м имеет форму параболоида с фокусным расстоянием 2 800 мм и является составным. Вторичное зеркало диаметром 600 мм имеет форму гиперболоида с радиусом кривизны при вершине 275 мм и конической константой k = -е2 =-1,1472777, где 8 — эксцентриситет меридионального профиля гиперболоида. Конструктивные параметры оптической системы приведены в таблице.
Одной из основных проблем создания телескопа является обеспечение высокого качества изображения, для чего, в свою очередь, требуется применение высококачественных методов измерения и контроля формы асферических зеркал телескопа. Особенность оптической схемы телескопа заключается в большом (порядка 30-кратном) линейном увеличении вторичного гиперболического зеркала, что обусловливает предъявление более жестких требований к качеству изготовления вторичного зеркала, чем к качеству главного. Погрешность формы вторичного зеркала должна составлять не более 5 мкм.
Рис. 1. Схематическое изображение космической обсерватории «Милли -
метрон»:
1 — системы управления и навигации; 2 — фокальная аппаратура; 3 — наклонное зеркало; 4 — главное зеркало; 5 — вторичное зеркало; 6 — радиационные экраны;
7 — солнечные батареи
Параметры оптической системы радиотелекопа
Параметр Зеркало
главное вторичное
Вершинный радиус кривизны, мм Коническая константа Стрелка прогиба, мм Световой диаметр, мм -5 600 -1 -3 214,3 10 000 -275 -1,1472778 -157,1 600
Осевое расстояние, мм -2 667,2
Кроме того, контроль формы выпуклых поверхностей, как известно из [4, 5], осуществлять сложнее по сравнению с контролем формы вогнутых поверхностей. Поэтому задача контроля формы выпуклого зеркала является актуальной. Попытка ее решения стандартными методами приводит к необходимости использования вспомогательных оптических элементов, диаметры которых существенно превышают диаметр контролируемой поверхности (КП) [4, 5], или к контролю отдельных участков КП с последующей сшивкой топографической карты КП.
Одним из примеров стандартных методов контроля является метод Хиндла для контроля выпуклых гиперболических зеркал [4, 5]. Данный интерференционный метод основан на организации автоколлимационного хода лучей в рабочей ветви с помощью эталонного сферического зеркала. При этом диаметр эталонного зеркала существенно больше диаметра КП (рис. 2).
Интерферометр
Эталонное сферическое зеркало (сфера Хиндла)
Рис. 2. Схема Хиндла для контроля выпуклых гиперболических поверхностей
Коллимированный пучок
Анализатор волнового фронта
Рис. 3. Схема ортогональных лучей
Для решения этой проблемы можно применять так называемую схему ортогональных лучей [6], согласно которой контролируемую деталь освещают пучком параллельных лучей, ориентированных перпендикулярно оси симметрии КП (рис. 3). В структуре отраженного от КП пучка содержится информацию о форме КП. Для анализа отраженного пучка могут быть использованы различные методы [7-9], например интерференционный [9, 10] или метод Гартма-на [11].
Схема ортогональных лучей применима для контроля выпуклых асферических поверхностей большого диаметра. Однако область ее применения ограничена величиной апертурного угла КП. Как видно на рис. 3, чем больше угол наклона нормали ф к крайней точке КП, тем больший размер анализатора волнового фронта требуется.
Для контроля вторичного зеркала телескопа «Миллиметрон» схема ортогональных лучей нуждается в некоторой модификации.
Метод контроля. Схема предлагаемого метода контроля показана на рис. 4. Узкий пучок лучей, формируемый Не:№-лазером, по-
Не:Ме-лазер
Пентапризма
Плоскость приемника излучения р
Рис. 4. Схема контроля гиперболического зеркала телескопа «Миллиметрон»
средством пентапризмы направляется на КП перпендикулярно ее оси симметрии. После отражения от КП пучок попадает в плоскость приемника излучения (ПИ), регистрирующего световое пятно. Измеряемая координата И энергетического центра этого пятна зависит от формы КП. Измерение профиля КП проводят посредством перемещения пентапризмы по вертикали (вдоль оси 07). По результатам измерений строится функция И(2) (рис. 5), где 2 — стрелка прогиба КП. Наличие погрешностей формы КП (рис. 6) приведет к отличию ДИ измеряемых координат И от их теоретических значений (рис. 7).
Рис. 5. Зависимость измеряемых координат световых пятен от координат пентапризмы
М
к
1 / ( / 1 / 1 / I шн"11 0
2
Рис. 6. Отклонение профиля КП (1) от теоретического профиля зеркала (2)
Рис. 7. Отклонение координат световых пятен от теоретически вычисленных значений
С помощью математической обработки, полученной в результате измерений функции И(г), можно восстановить профиль КП: форму поверхности КП восстанавливают путем «сшивания» множества ее профилей.
В качестве приемника излучения можно использовать, например, составной приемник из нескольких линейных или матричных приемников. Плоскость приемника излучения расположена перпендикулярно оси симметрии КП с целью уменьшить габариты приемника.
Алгоритм математической обработки результатов измерений реализуется в два этапа. На первом этапе методом наименьших квадратов определяют геометрические параметры асферической поверхности второго порядка, ближайшей к КП — ее вершинный радиус и коническую константу; на втором — отклонения КП от ближайшей асферической поверхности второго порядка.
Оценка точности метода. Погрешность метода (т. е. погрешность определения координат точек КП) зависит от многих факторов, основными из которых являются погрешности определения координат центров световых пятен и погрешности юстировки. Под последними понимают погрешности взаимного расположения КП и приемника излучения, погрешности определения координат пентапризмы и др.
Анализ чувствительности метода к различным типам погрешностей формы КП выполнен путем численного моделирования погрешностей КП. При этом считают, что погрешность определения координат регистрируемых световых пятен составляет 5 мкм, а погрешности юстировки отсутствуют. Математическое моделирование погрешностей формы КП проводят в целях исследования характера их влияния на координаты регистрируемых световых пятен.
Моделировали следующие виды погрешностей формы:
• погрешность вершинного радиуса Дг;
• погрешность конической константы Дк;
• местная погрешность формы, представленная в виде гауссоиды с амплитудой А.
В результате анализа установлены максимальные значения Дг, Дк и А, которые вызывают отклонения световых пятен в пределах 5 мкм. Они составляют: Дг = 40 мкм; Дк = 0,004; А = 10 мкм.
Эти результаты подлежат уточнению с учетом погрешностей юстировки и других факторов, влияющих на погрешность контроля. Однако они позволяют сделать предварительное заключение о том, что разработанный метод удовлетворяет требуемой точности контроля вторичного зеркала телескопа «Миллиметрон».
Заключение. Разработанный метод контроля качества выпуклого гиперболического зеркала радиотелескопа «Миллиметрон» прост в реализации и обеспечивает достаточную точность контроля без применения крупногабаритных вспомогательных оптических деталей.
Работа выполнена по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (договор № 14.124.13.5457-МК).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Кардашев Н.С. [и др.] Проект Миллиметрон. Тр. Физич. ин-та им. П.Н. Лебедева, 2000, т. 228, с. 112.
[2] Пуряев Д.Т., Батшев В.И. Оптическая система радиотелескопа космической обсерватории «Миллиметрон». Прикладная оптика — 2008. Сб. тр. МНТК. Санкт-Петербург, 2008, т. 1, с. 186-190.
[3] Пуряев Д.Т., Батшев В.И. Оптическая система и методика для контроля позиционирования сегментов составного параболического зеркала радио-
телескопа космической обсерватории «Миллиметрон». Измерительная техника, 2009, т. 52, № 5, с. 29-31.
[4] Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. Москва, Машиностроение, 1976, 262 с.
[5] Малакара Д. (ред.). Оптический производственный контроль. Москва, Машиностроение, 1985, 400 с.
[6] Пуряев Д.Т. Способ измерения профиля оптических поверхностей. А.с. 1044969 СССР, МКИ4в 01 В II/24, № 3467407.25-28, заявл. 09.07.82, опубл. 30.09.83, бюл. № 36, 3 с.
[7] Goncharov A.V., Druzhin V.V., Batshev V.I. Non-contact methods for optical testing of convex aspheric mirrors for future large telescopes. Proc. SPIE. 2009, vol. 7389, рр. 73891А.
[8] Малиновская Е.Г., Батшев В.И. Неинтерференционный метод контроля качества выпуклых асферических зеркал большого диаметра. Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2011, № 10. URL: http://technomag.edu.ru/doc/222015.html
[9] Батшев В.И., Польщикова О.В. Интерференционный метод контроля формы выпуклых асферических зеркал. Сб. тез. докладов конгресса молодых ученых, вып. 2. Санкт-Петербург, НИУ ИТМО, 2012, с. 69.
[10] Дружин В.В., Пуряев Д.Т. Интерференционный метод для контроля профиля выпуклых асферических зеркал. Прикладная оптика — 2008. Сб. тр. МНТК. Санкт-Петербург, 2008, т. 1, c. 214-218.
[11] Дружин В.В., Пуряев Д.Т. Метод Гартмана для контроля формы выпуклых асферических зеркал крупных оптических телескопов. Оптический журнал, 2007, т. 74, № 12, с. 4-7.
Статья поступила в редакцию 24.06.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Пуряев Д.Т., Батшев В.И., Польщикова О.В. Метод контроля качества выпуклого гиперболического зеркала радиотелескопа космической обсерватории «Миллиметрон». Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 7.
URL: http://engjournal.ru/catalog/pribor/optica/833.html
Пуряев Даниил Трофимович родился в 1934 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1958 г. Д-р техн. наук, профессор. С 1988 по 2006 г. заведующий кафедрой «Оптико-электронные приборы научных исследований» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 200 работ, 95 изобретений, 4 книг в области оптических измерений, контроля асферических поверхностей, конструирования офтальмологических приборов.
Батшев Владислав Игоревич родился в 1984 г., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специализируется в области оптических измерений, астрономической оптики. Автор 7 научных работ. e-mail: batshev.vlad@gmail.com
Польщикова Ольга Валерьевна родилась в 1990 г., поступила в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г. Научно-исследовательской работой занимается под руководством Батшева В.И., канд. техн. наук, доцента кафедры «Оптико-электронные приборы научных исследований» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тематика научно-исследовательской работы: разработка новых методов измерения качества поверхностей выпуклых асферических зеркал.