CC BY
126
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МЕТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. КБМ 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Оптическая система интерферометра для контроля формы крупногабаритных светосильных зеркал компенсационным методом
# 11, ноябрь 2013
Б01: 10.7463/1113.0654983 Граф Н. А., Пуряев Д. Т.
УДК 681.7.055.34
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана graf.nataliya@gmail.com nukrlm@bmstu.ru
Введение
Бурное развитие астрономической оптики последних лет, сопровождающееся разработкой и строительством гигантских телескопов, вынуждает совершенствовать методы и средства контроля. Главное зеркало является наиболее ответственным элементом телескопа, так как определяет его основные параметры. Как известно, существует несколько методов контроля главных зеркал телескопов, но, наиболее рациональными методами являются компенсационный и голографический, в которых качество контролируемой поверхности оценивается по виду интерференционной картины, полученной на интерферометре. При этом ключевым элементом является компенсатор, оптический или голографический в зависимости от метода, формирующий волновой фронт, соответствующий теоретической форме контролируемой поверхности [1]. Однако, по мере увеличения апертуры и габаритных размеров контролируемых зеркал, на точность контроля этими методами существенное влияние оказывает так называемая осевая дисторсия [2, 3], которая появляется при проецировании криволинейной поверхности на плоский приемник и вызывает нарушение масштаба изображения от его центра в радиальном направлении. В результате при компенсационном контроле происходит сжатие интерференционных колец на краю, а при голографическом - в центе интерференционной картины [3].
Понятие осевая дисторсия не часто встречается в научной литературе, так как существенное влияние осевая дисторсия вносит только при контроле поверхностей с высокой апертурой (1:1,2-1:0,7) и большими габаритными размерами. Так, например, осевая дисторсия при контроле главного зеркала телескопа VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) достигала 21%.
Анализ доступных литературных источников [3, 4, 5] показал на отсутствие разработанных систем контроля крупногабаритных светосильных зеркал компенсационным методом свободных от этой погрешности, и, как упоминается в работе [3], производители астрономических зеркал вынуждены применять математический учет осевой дисторсии.
Цель работы заключается в разработке ортоскопической системы интерферометра для контроля светосильных зеркал крупных телескопов, обеспечивающей проецирование контролируемой поверхности на плоскость приемника с постоянным масштабом.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые доказана возможность создания ортоскопической системы интерферометра, предложено конструктивное решение и показана его эффективность на примере контроля главных зеркал астрономических телескопов, таких как 2-m Wendelstein Fraunhofer и TNT (Thai National Telescope).
1 Осевая дисторсия
Рассчитаем значения осевой дисторсии при компенсационном контроле 2 асферических зеркал: гиперболического зеркала диаметром 2,1 метра, используемого в качестве главного зеркала телескопа 2-m Wendelstein Fraunhofer, и гиперболического зеркала диаметром 2,4 метра, используемого в качестве главного зеркала телескопа TNT.
В качестве компенсатора предлагаем использовать новый вариант двухлинзового компенсатора, состоящий из положительной менисковой линзы 1 и плоско-выпуклого линзового корректора 2, расположенного в области каустики. Оптическая схема компенсационной системы, состоящей из компенсатора 1-2 и контролируемой поверхности КП, показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Оптическая схема компенсационной системы
Анализ компенсационной системы показал, что остаточная волновая аберрация в двойном ходе лучей не превышает 0,0002Х (для зеркала телескопа 2-m Wendel stein Fraunhofer Telescope) и 0,0056X (для зеркала телескопа TNT), где Х=0,6328 мкм.
Осевая дисторсия может быть записана в следующем виде:
(1)
где в - линейное увеличение компенсатора, во - параксиальное линейное увеличение компенсатора, к - высота крайнего луча на компенсаторе, У - высота крайнего луча на контролируемой поверхности, - фокусное расстояние компенсатора, Я0 - вершинный радиус контролируемого зеркала.
На рисунке 2 схематично показан вид интерференционной картины при компенсационном контроле светосильных крупногабаритных асферических зеркал.
Рисунок 2 - Вид интерференционной картины (схематично) при компенсационном контроле светосильных астрономических зеркал
Осевая дисторсия компенсационной системы, рассчитанная по формуле 1, составляет др~6% (для главного зеркала 2-m Wendelstein Fraunhofer Telescope) и др~11% (для главного зеркала TNT). Такая осевая дисторсия будет существенно искажать вид интерференционной картины, если контроль зеркал осуществлять с использованием традиционных средств, в частности интерферометра Тваймана-Грина, а значит, возникает необходимость разработки новых средств контроля.
2 Концепция ортоскопической системы интерферометра
Авторами была разработана ортоскопическая система интерферометра, обеспечивающая проецирование светосильной асферической поверхности на плоский приемник с постоянным масштабом [6]. Оптическая схема интерферометра приведена на рисунке 3.
КП 7 6 5 і 8 9 10
Рисунок 3 - Оптическая схема ортоскопической системы интерферометра для контроля крупногабаритных светосильных астрономических зеркал
Основные ветви ортоскопической системы интерферометра:
- Осветительная: гелий-неоновый лазер 1, конденсор 2, диафрагма 3;
- Эталонная: эталонное сферическое зеркало 8;
- Измерительная ветвь: светоделительный кубик 4, объектив 5, плоскопараллельная пластина 6, компенсатор 7, объектив сопряжения 9, контролируемая поверхность КП;
- Регистрирующая: ПЗС матрица 10.
Лучи света, идущие из гелий-неонового лазера 1, фокусируются конденсором 2 в отверстие диафрагмы 3, установленной в заднем фокусе объектива 5. Далее пучок лучей поступает на светоделительный кубик 4 и разделяется на два пучка. Один из них идет в эталонную ветвь интерферометра, в которой установлено эталонное сферическое зеркало
8, другой - в измерительную ветвь, в которой расположены объектив 5, плоскопараллельная пластинка 6, компенсатор 7 и контролируемая асферическая поверхность КП. Объектив 5 служит для формирования эталонного плоского волнового фронта. Плоскопараллельная пластинка 6 установлена в выходном зрачке компенсационной системы и служит разделительным элементом интерферометра. Каждый луч, падающий на пластинку, расщепляется на два: один отражается от плоской эталонной поверхности и повторяет свой путь в обратном направлении, другой проходит компенсатор, поступает на контролируемую поверхность и, отразившись от нее, также идет в обратном направлении. Лучи света, отраженные от пластинки и контролируемой поверхности, интерферируют между собой. Далее лучи проходят светоделительный кубик и поступают на объектив сопряжения измерительной ветви 9, проецирующий интерференционную картину в плоскость ПЗС матрицы 10, которая установлена в плоскости выходного зрачка интерферометра. Эталонное сферическое зеркало 8 предназначено для аттестации блока измерительной ветви интерферометра, состоящего из плоскопараллельной пластины, объектива и светоделительного кубика.
Ключевыми элементами ортоскопической системы интерферометра являются компенсатор, компенсирующий аберрации нормалей асферической поверхности, и объектив сопряжения, обеспечивающий проецирование интерференционной картины на ПЗС матрицу с постоянным масштабом.
Помимо интерференционной картины ортоскопическая система интерферометра позволяет регистрировать так называемую муаровую картину, которая возникает при наложении трех интерференционных картин. Первая картина, как уже упоминалось выше, формируется при интерференции лучей, отраженных от контролируемой поверхности и эталонной поверхности плоскопараллельной пластины 6; вторая - при интерференции лучей, отраженных от контролируемой поверхности и эталонного сферического зеркала 8, третья - при интерференции лучей, идущих от эталонной поверхности плоскопараллельной пластины 6 и эталонного сферического зеркала 8. Муаровая картина регистрируется в плоскости ПЗС матрицы. Расшифровка муаровой картины позволяет получить дополнительную информацию о форме поверхности, а также исключить погрешности изготовления оптики интерферометра [7].
3 Ортоскопическая система интерферометра для контроля главных зеркал телескопов 2-m Wendelstein Fraunhofer и TNT
В рамках предложенной выше концепции были рассчитаны конструктивные параметры основных ветвей ортоскопической системы интерферометра. При этом
применялись известные методы расчета оптических систем. Анализ полученной системы осуществлялся с использованием пакета прикладных программ ОПАЛ.
В таблице 1 приведены рассчитанные конструктивные параметры системы интерферометра для контроля главных зеркал телескопов 2-m Wendelstein Fraunhofer Telescope и TNT по ходу лучей без осветительной части. При этом считаем, что источник света расположен в отверстии диафрагмы 3 на расстоянии -s=99,99985 мм от первой поверхности светоделительного кубика. Для перехода от контроля одного зеркала к другому, необходимо осуществить замену компенсатора и объектива сопряжения. В таблице жирным шрифтом выделены отличающиеся конструктивные параметры.
Таблица 1 - Конструктивные параметры системы интерферометра для контроля главных зеркал телескопов 2-m Wendelstein Fraunhofer Telescope и TNT
2-m Wendelstein Fraunhofer TNT Компонент интерферометра
Радиус кривизны Осевое расстояние Стекло Радиус кривизны Осевое расстояние Стекло
плоскость 2О К8 плоскость 2О К8 4
плоскость 367,7553 плоскость 367,7553
1824,3387 1О К8 1824,3387 1О К8 5
658,9411 5 658,9411 5
плоскость 1О ТФ5 0 1О ТФ5
-301,2296 3О -301,2296 3О
плоскость 2О К8 плоскость 2О К8 6
плоскость 171,0184 плоскость 118,9223
-255,0144 10 К8 -118,9019 20 Ф1 7
-103,2148 354,3819 -78,4237 244,9070
плоскость 10 К8 плоскость 10 Ф1
-358,9146 8171,8486 -292,2624 7274,0063
* -8200 -8171,8486 * * -7200 -7274,0063 КП
-358,9146 -10 - К8 -292,2624 -10 -Ф1 7
плоскость -354,3819 плоскость -244,9070
-103,2148 -10 - К8 -78,4237 -20 -Ф1
-255,0144 -171,0184 -118,9019 -118,9223
плоскость -2О - К8 плоскость -2О -К8 6
плоскость -3О плоскость -3О
-301,2296 -1О - ТФ5 -301,2296 -1О -ТФ5 5
плоскость -5 плоскость -5
658,9411 -1О - К8 658,9411 -1О -К8
1824,3387 -367,7553 1824,3387 -367,7553
плоскость -2О - К8 плоскость -2О -К8 4
плоскость -140,2486 плоскость -140,5726
-11,1036 -2 - К8 -10,3463 -3 -К8 9
8,5133 -1 8,1426 -1
6,7711 -2 - Ф1 6,1924 -2 -Ф1
плоскость плоскость
*’р=-31,0998мм *’р=-28,9127мм 1О
* e2=1,08105, D=2100 мм ** e2=1,0134, D=2400 мм
Осевая дисторсия при контроле этих зеркал с помощью ортоскопической системы интерферометра не превышает 0,3%, в результате чего максимальная линейная погрешность ДУ определения координаты на асферической поверхности не превышает
3 мм, а погрешность Дт определения координаты в плоскости ПЗС матрицы не превышает 8 мкм, что сопоставимо с 1 элементом матрицы.
Заключение
Доказана возможность создания ортоскопической системы интерферометра, в котором криволинейная поверхность главного зеркала проецируется на плоский приемник с постоянным масштабом. Предложенное конструктивное решение ортоскопического интерферометра на примере главных зеркал телескопов 2-m Wendelstein Fraunhofer Telescope и TNT, может также применяться для контроля ряда других светосильных астрономических зеркал.
Список литературы
1. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976. 262 с.
2. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976.
512 с.
3. Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Semenov A.P. Interference testing methods of large astronomical mirrors base on lenses and CGH wavefront correctors. Available at: http://lzos.ru/en/index.php?option=com content&task=view&id=205&Itemid=80 , accessed 28.07.2013.
4. Novak M., Zhao C.,Burge J.H. Distortion mapping correction in aspheric null testing. Available at:
http://www.loft.optics.arizona.edu/documents/journal articles/Matt Novak Distortion mapping correction in aspheric null testing.pdf , accessed 03.03.2013.
5. Zhao C., Burge J.H. Imaging aberrations from null correctors. Available at: http://www.loft.optics.arizona.edu/documents/journal articles/Chunyu Zhao Imaging a berrations from null correctors.pdf , accessed 14.08.2013.
6. Граф Н.А., Пуряев Д.Т. Оптическая система ортоскопического интерферометра // Межд. научн. конф. «Оптика - 2011»: тез. докл. СПб.: НИУИТМО, 2011. Т. 1.
С. 136-138.
7. Гришанов А.Н., Де С.Т., Денежкин Е.Н., Хандогин В.А. Цифровая обработка голографических интерферограмм на основе муаровых эффектов // Автометрия. 1986. № 4. С. 97-104.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Optical interferometer system for shape monitoring of large high-aperture mirrors using the null method
# 11, November 2013 DOI: 10.7463/1113.0654983
Graf N.A., Puryaev D.T.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
graf. nataliya@ gmail. com nukrlm@bmstu.ru
This article deals with the problem of null testing of large high-aperture mirrors caused by a projection of a curved aspherical surface on a flat receiver. There is a distortion of image scale radially from the center of the image; this leads to compression of interference fringes at the edge of the interference picture. Decoding of such interference pictures becomes difficult. The authors proposed a construction solution to the interferometer orthoscopic system for testing the main mirrors of TNT and 2-m Wendelstein Fraunhofer Telescope, which provides a projection of the curved surface on a flat receiver with a constant scale.
Publications with keywords: spherical surface, optical testing, telescope, high-aperture mirror Publications with words: spherical surface, optical testing, telescope, high-aperture mirror
References
1. Puryaev D.T. Metody kontrolya opticheskikh asfericheskikhpoverkhnostey [Control methods of optical aspheric surfaces]. Moscow, Mashinostroenie, 1976. 262 p.
2. Mikhel'son N.N. Opticheskie teleskopy. Teoriya i konstruktsiya [Optical telescopes. Theory and design]. Moscow, Nauka, 1976. 512 p.
3. Abdulkadyrov M.A., Belousov S.P., Semenov A.P. Interference testing methods of large astronomical mirrors base on lenses and CGH wavefront correctors. Available at: http://lzos.ru/en/index.php?option=com content&task=view&id=205&Itemid=80 , accessed 28.07.2013.
4. Novak M., Zhao C.,Burge J.H. Distortion mapping correction in aspheric null testing. Available at:
http://www.loft.optics.arizona.edu/documents/journal articles/Matt Novak Distortion
mapping correction in aspheric null testing.pdf , accessed 03.03.2013.
5. Zhao C., Burge J.H. Imaging aberrations from null correctors. Available at: http://www.loft.optics.arizona.edu/documents/journal articles/Chunyu Zhao Imaging a berrations from null correctors.pdf , accessed 14.08.2013.
6. Graf N.A., Puryaev D.T. Opticheskaya sistema ortoskopicheskogo interferometra [Optical system of orthoscopic interferometer]. Mezhd. Nauchn. konf. “Optika - 2011”: tez. dokl. [Int. Scient. conf. “Optics - 2011”: abstracts]. St. Petersburg , Publ. of NIUITMO, 2011, vol. 1, pp. 136-138.
7. Grishanov A.N., De S.T., Denezhkin E.N., Khandogin V.A. Tsifrovaya obrabotka golograficheskikh interferogramm na osnove muarovykh effektov[Digital processing of holographic interferograms on the basis of the moire effects]. Avtometriya, 1986, no. 4, pp. 97-104.
