eng
Выпуск #8/2024
А. Н. Мельников
Контроль взаиморасположения зеркал в трехзеркальных телескопах при помощи синтезированных голограммных оптических элементов
Контроль взаиморасположения зеркал в трехзеркальных телескопах при помощи синтезированных голограммных оптических элементов
Просмотры: 1191
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.630.638
АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», Казань, Татарстан, Россия
Предложено решение проблемы прецизионного контроля взаиморасположения зеркал в центрированных трехзеркальных телескопах на основе использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) как на этапе сборки и юстировки телескопов, так и в ходе их эксплуатации для обеспечения регулярной подъюстировки.
АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», Казань, Татарстан, Россия
Предложено решение проблемы прецизионного контроля взаиморасположения зеркал в центрированных трехзеркальных телескопах на основе использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) как на этапе сборки и юстировки телескопов, так и в ходе их эксплуатации для обеспечения регулярной подъюстировки.
Теги: adjustment assembly centered three-mirror telescope circular axial computer-generated hologram optical element cylindrical axial computer-generated hologram optical element laser-holographic control of mirror mutual arrangement radial-sector axial computer-generated hologram optical elemen regular additional adjustment круговой осевой синтезированный голограммный оптический элемент лазерно-голографический контроль взаиморасположения зеркал радиально-секторный осевой синтезированный голограммный оптичес регулярная подъюстировка сборка центрированный трехзеркальный телескоп цилиндрический осевой синтезированный голограммный оптический эл юстировка
Контроль взаиморасположения зеркал в трехзеркальных телескопах при помощи синтезированных голограммных оптических элементов
А. Н. Мельников
АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», Казань, Татарстан, Россия
Предложено решение проблемы прецизионного контроля взаиморасположения зеркал в центрированных трехзеркальных телескопах на основе использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) как на этапе сборки и юстировки телескопов, так и в ходе их эксплуатации для обеспечения регулярной подъюстировки.
Ключевые слова: центрированный трехзеркальный телескоп, сборка, юстировка, регулярная подъюстировка, лазерно-голографический контроль взаиморасположения зеркал, круговой осевой синтезированный голограммный оптический элемент, радиально-секторный осевой синтезированный голограммный оптический элемент, цилиндрический осевой синтезированный голограммный оптический элемент
Статья получена:31.10.2024
Статья принята:20.11.2024
Введение
Для осуществления регулярного мониторинга внеземного пространства, решения фундаментальных вопросов космологии, предотвращения загрязнения околоземного пространства планеты от опасного космического мусора и астероидов, проведения дистанционного зондирования поверхности Земли необходимо постоянно разрабатывать и создавать оптические телескопы как наземного, так и космического базирования, включая космические телескопы (КТ), устанавливаемые на борту малых космических аппаратов [1–4].
Анализ показывает, что для решения задачи проведения дистанционного зондирования поверхности Земли из имеющегося арсенала технических решений наиболее предпочтительными вариантами оптических систем для создания КТ являются центрированные трехзеркальные системы (ЦТС), преимущественно с асферическими рабочими поверхностями, без дополнительных линзовых корректоров [5–10].
Следует отметить основные достоинства ЦТС КТ: они позволяют работать в широком спектральном диапазоне (интегральный коэффициент пропускания всей ЦТС определяется только рабочим спектральным диапазоном отражающих покрытий); обладают увеличенным полем зрения по сравнению с классическими схемами Ричи-Кретьена и Кассегрена; у них отсутствуют дополнительные проблемы с подбором материалов линзовых корректоров, обеспечивающих стабильность характеристик во всем диапазоне рабочих температур; при использовании облегченных зеркал можно добиться уменьшения общей массы КТ [7, 11].
Известно [1, 12, 13], что если обеспечение процессов юстировки в цеховых условиях и регулярной подъюстировки в космических условиях даже центрированных двухзеркальных систем КТ вызывает большие сложности и характеризуется большой трудоемкостью, то для ЦТС КТ, очевидно, эти сложности и трудоемкость юстировки возрастают за счет увеличения степеней свободы юстируемых зеркал и возможных вариаций их взаимного расположения. Поэтому поиск новых подходов в области обеспечения контроля юстировки в производственных и эксплуатационных условиях для ЦТС КТ является актуальным.
Известные технические решения и подходы
Среди ряда применяемых в цеховых условиях в настоящее время методов сборки и юстировки центрированных двухзеркальных систем (ЦДС) [13], в частности, с использованием координатно-измерительных систем, с центрировкой зеркал в оправах, с переносом осей на дополнительную базу при учете их практических ограничений, только прецизионный метод, основанный на использовании осевых СГОЭ и характеризуемый интерферометрической точностью и возможностью работы в широкой области спектра электромагнитных волн, является наиболее перспективным для разработки и использования при контроле сборки и юстировки ЦТС. Частично этот лазерно-голографический подход с использованием осевого СГОЭ на плоской подложке в проходящем свете применялся в схеме Оффнера для сборки и юстировки взаимного положения только двух зеркал – первичного и третичного – при отсутствии в схеме вторичного зеркала [10]. Затем вторичное зеркало точно устанавливалось с помощью трех актуаторов по отношению к отъюстированной паре «первичное зеркало – третичное зеркало». Также, если учитывать наши более ранние технические предложения [12] о возможной применимости голографических устройств контроля (ГУК) на основе системы осевых СГОЭ как датчиков волнового фронта в космических условиях для ЦДС КТ, то развитие этих предложений будет альтернативой существующей практике создания служебных систем КТ в части систем автоматической юстировки и автоматической фокусировки, базирующихся, в частности, на применении систем плоских вспомогательных зеркал, автоколлиматоров, зеркальных ромбов, трипель-призм и позиционно-чувствительных (квадрантных) фотоприемных устройств [11], которые менее точны по сравнению с интерферометрическими датчиками волнового фронта.
Основные положения предлагаемого решения
Поскольку существенный практический интерес для ЦТС КТ представляют ГУК, способные обеспечивать контроль взаимного положения зеркал как в цеховых условиях, так и в условиях эксплуатации с регулярной их подъюстировкой, то построение ГУК можно принципиально реализовать в рамках трех основных вариантов хода лучей в его объектной ветви:
1‑й – с автоколлимационным ходом лучей в проходящем свете (рис. 1а);
2‑й – с автоколлимационным ходом лучей в отраженном свете (рис. 1б);
3‑й – с квазиавтоколлимационным ходом лучей и обращением волнового фронта (рис. 1в).
На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 – точечный источник лазерного излучения; 1′ – изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное оптической системой «осевой СГОЭ 5 (5′) «плюс» зеркало 2 в проходящем свете (зеркало 2′ в отраженном свете) «плюс» вогнутая поверхность зеркала 4»; 1″ – изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное оптической системой «осевой СГОЭ 6 (6′) «плюс» зеркало 2 в проходящем свете (зеркало 2′ в отраженном свете) «плюс» вогнутая поверхность зеркала 3»; 1‴ – автоколлимационное изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное осевым СГОЭ 7 (7′); 2 – осевое асферическое зеркало на плоско-выпуклой подложке из оптически прозрачного материала с нанесенным на выпуклую поверхность полупрозрачным оптическим покрытием; 2′ – осевое асферическое зеркало на плоско-выпуклой подложке из оптически непрозрачного материала и / или с облегчением; 3 и 4 – внеосевые асферические зеркала на плоско-вогнутых подложках; 5 (5′) – круговой (цилиндрический или радиально-секторный) осевой СГОЭ для контроля взаиморасположения зеркала 4; 6 (6′) – круговой (цилиндрический или радиально-секторный) осевой СГОЭ для контроля взаиморасположения зеркала 3; 7 (7′) – автоколлимационный круговой (цилиндрический) осевой СГОЭ; 8 – диафрагма в виде усеченного конуса, выполненная в вершине выпуклой поверхности зеркала 2′, при этом геометрическая ось диафрагмы 8 совпадает с оптическими осями зеркала 2′ и всей ЦТС; OO′ – оптическая ось юстируемой системы; O1 – центр плоской тыльной поверхности зеркала 2; O2 – вершина выпуклой поверхности зеркала 2 (2′); O3 – вершина «материнской» вогнутой поверхности зеркала 3; O4 – вершина «материнской» вогнутой поверхности зеркала 4; тт. O1, O2, O3, O4, 1, 1′, 1″ и 1‴ расположены на оптической оси OO′. На рисунках 1ж и 1к осевые СГОЭ 5′, 6′, 7′ выполнены в виде радиально-секторных (сегментных) апертур в краевой зоне выпуклой поверхности зеркала 2′.
Реализация 1‑го варианта возможна лишь, когда подложка базового зеркала 2 является сплошной, без облегчения и выполненной из оптически прозрачного материала. Оптический материал подложки и ее полированные фронтальная и тыльная поверхности должны соответствовать жестким допускам по оптическим параметрам, а на фронтальной поверхности этого зеркала должно быть нанесено полупрозрачное оптическое покрытие.
Для КТ, в которых подложка базового зеркала 2′ выполнена с облегчением и/или из оптически непрозрачных материалов (металлов, металлических сплавов, композитных материалов), построение ГУК возможно только на основе реализации 2‑го или 3‑го вариантов. Хотя эти варианты построения ГУК более универсальны и могут быть осуществлены на основе использования базового зеркала 2 с подложкой, выполненной из оптически прозрачного материала, сплошной, без облегчения.
Принцип функционирования ГУК в качестве датчиков волнового фронта, приведенных на рисунках 1а, 1б, 1в, аналогичен устройству для контроля юстировки ЦДС [12] и заключается в получении, регистрации и анализе интерференционных картин, характеризующих линейное и угловое взаиморасположение зеркал 2 (2′)–4 относительно друг друга, точечного источника лазерного излучения 1 и оптической оси системы OO′, причем за базовую поверхность, на которой формируется система осевых СГОЭ 5–7 (5′–7′), можно принять плоскую тыльную поверхность зеркала 2 (рисунок 1а) или выпуклую фронтальную поверхность зеркала 2′ (рис. 1б, 1в).
Рассматриваемые ГУК в качестве компонентов обратной связи предлагается включить в состав стандартных систем автоматической юстировки КТ с исполнительными приводами в виде прецизионных актуаторов, управляющих линейными и угловыми положениями каждого из трех зеркал, добиваясь их расчетных расположений в рамках заданной оптической системы.
При расчете частотных характеристик (ЧХ) осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) учитываются длина волны λк зондирующего лазерного излучения, уравнения профилей меридиональных сечений «материнских» поверхностей зеркала 4 и зеркала 3 соответственно и расчетные параметры расположения этих зеркал с учетом двойного прохождения зондирующего излучения через подложку зеркала 2 (для рис. 1а методика расчета ЧХ осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) аналогична приведенной в [14]) или отражения этого излучения от фронтальной поверхности зеркала 2′ (для рис. 1б методика расчета ЧХ осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) соответствует описанной в [12], а для рис. 1в – предложенной в [15]). ЧХ автоколлимационного осевого СГОЭ 7 (7′) получают в результате расчета зонной пластинки требуемого фокусного расстояния на заданной длине волны λк.
Изготовление осевых СГОЭ 5–7 (рис. 1г, 1е) и осевых СГОЭ 5–6 (рис. 1и) в виде круговых апертур, осевых СГОЭ 5′–7′ (рис. 1ж) и осевых СГОЭ 5′–6′ (рис. 1к) в виде радиально-секторных (сегментных) апертур возможно со световыми диаметрами до 500–600 мм на круговых делительных машинах типа МДА и МДГ при помощи специальных алмазных резцов [16] или с областью записи апертур до 300 мм с использованием круговых лазерных записывающих систем [17].
Так как в процессе изготовления осевых СГОЭ их центрировка выполняется с высокой точностью, например, по общей базовой цилиндрической поверхности зеркала 2 (2′), то оптические оси этих СГОЭ будут совмещены с оптической осью зеркала 2 (2′) с наименьшей возможной погрешностью (практически не более одного микрометра) [18]. Так же их центрировка с зеркалом 2 (2′), очевидно, сохраняется неизменной в дальнейшем в процессе эксплуатации ЦТС. Эта особенность также повышает надежность контроля юстировки предложенным ГУК как в цеховых условиях, так и в режиме эксплуатации.
Можно дополнительно отметить, что осевые СГОЭ могут быть изготовлены для работы на длине волны, меньшей, чем длина волны коротковолновой границы спектрального рабочего диапазона юстируемой ЦТС. Поэтому штриховые структуры осевых СГОЭ (рис. 1е, 1ж, 1и, 1к) могут быть нанесены в любой части световой зоны отражающей фронтальной поверхности зеркала 2′ без оказания их негативного действия на формирование изображения КТ на рабочих длинах волн.
Особый практический интерес представляют предложенные подходы по созданию ГУК взаиморасположения зеркал для светосильных и широкоугольных крупногабаритных телескопов наземного и космического базирования с ЦТС [6]. В этих ЦТС реализовывать ГУК взаиморасположения крупногабаритных зеркал, диаметры которых могут лежать в диапазоне от метра до нескольких метров, предлагается не на основе круговых или радиально-секторных осевых СГОЭ, изготовление которых на подложках крупногабаритных зеркал практически невозможно в силу отсутствия соответствующего технологического оборудования, а исключительно лишь при помощи цилиндрических осевых СГОЭ (ЦОСГОЭ).
Предлагается изготавливать ЦОСГОЭ шириной от 10 до 20 мм. Данный подход с использованием ЦОСГОЭ и пути его реализации есть развитие предложения, изложенного ранее автором в [19]. Следует отметить, что ЦОСГОЭ должны быть выполнены преимущественно в виде амплитудных синтезированных голограмм, что позволяет практически исключить зависимость дифракционной эффективности ЦОСГОЭ от угла падения лучей от монохроматического точечного источника излучения, используемого в ГУК, в различных зонах его светового диаметра, тем самым обеспечить постоянство видности интерференционных полос получаемых интерферограмм в пределах контролируемого светового поля.
Условный вид возможной реализации ЦОСГОЭ показан на рис. 1д. При этом автоколлимационный ЦОСГОЭ 7′ представляет собой систему двух цилиндрических голограмм, изготовленных ортогонально друг относительно друга, для обеспечения более точного и надежного совмещения точечного источника лазерного излучения 1 с автоколлимационным его изображением 1‴. Аналогично на выпуклой фронтальной поверхности зеркала 2′ можно нанести ЦОСГОЭ с ЧХ, которые равны ЧХ круговых или радиально-секторных осевых СГОЭ, представленных условно на рисунках 1е, 1ж, 1и, 1к.
Оценки показывают, что лазерно-голографический контроль взаиморасположения зеркал в рассматриваемых ЦТС с помощью системы осевых СГОЭ предлагаемых ГУК можно осуществить с погрешностью, не превышающей 0,01λк, где λк – длина волны зондирующего лазерного излучения, и этот параметр используется при выборе размеров и разрешающей способности позиционно-чувствительной системы регистрации получаемой интерференционной картины.
Заключение
Так как в настоящее время ЦТС имеют повышенный интерес у разработчиков КТ, то предложенный подход в создании ГУК взаиморасположения зеркал в рассмотренных ЦТС на основе использования осевых СГОЭ является актуальным. Данный подход является развитием предложений, опубликованных в [12, 15, 16] и подтвержденных результатами физического моделирования на примере контроля сборки и юстировки прототипа ЦДС [20], и открывает возможность решения проблемы реализации лазерно-голографического контроля сборки и юстировки ЦТС КТ как в цеховых, так и при регулярной подъюстировке в эксплуатационных космических условиях. Особую актуальность и перспективность представляет применение ЦОСГОЭ в предложенных ГУК для целей контроля сборки и юстировки светосильных и широкоугольных крупногабаритных КТ. В рамках этого подхода в построении ГУК очевидны преимущества: интерферометрическая точность, надежность и оперативность выполнения контрольных функций, минимизация массогабаритных параметров и энергопотребления.
Для осуществления комплексных работ по созданию, отработке и испытанию предложенных ГУК взаиморасположения зеркал в ЦТС КТ, включая создание современного высокоточного технологического оборудования для изготовления СГОЭ, требуются постановка и проведение комплексных НИОКР в кооперации с разработчиками КТ и прецизионной аппаратуры.
REFERENCES
Bronshtein Yu. L. Krupnogabaritnye zerkalnye sistemy (kontrol’ geometrii, justirovka). M.: DPK Press, 2015. 600 p. (In Russ.).
Бронштейн Ю. Л. Крупногабаритные зеркальные системы (контроль геометрии, юстировка). М.: ДПК Пресс, 2015. 600 с.
Chen Zh., Zhu J., Peng J., et al. A coaxial and off-axial integrated three-mirror optical system with high resolution and large field of view. Journal of the Optical Society of Korea. 2016; 20 (1): 94–100. DOI: 10.3807/JOSK.2016.20.1.094.
Bakholdin A. V., Butylkina (Rodionova) K. D., Vasil’ev V. N., et al. Development and analysis of reflective and catadioptric optical systems for Earth remote sensing. Journal of Optical Technology. 2017; 84 (11): 761–766. DOI: 10.1364/JOT.84.000761.
Бахолдин А. В., Бутылкина (Родионова) К. Д., Васильев В. Н. и др. Разработка и исследование зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем для дистанционного зондирования Земли. Оптический журнал. 2017; 84 (11): 55–61.
Stahl H. P. Advanced ultraviolet, optical, and infrared mirror technology development for very large space telescopes. Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2020; 6 (2): 025001–1–025001–26. DOI: 10.1117/1.JATIS.6.2.025001.
Guo Xi., Dong L., Zhao Yu., et al. Imaging and image restoration of an on-axis three-mirror Cassegrain system with wavefront coding technology. Applied Optics. 2015; 54 (10): 2798–2805. DOI: 10.1364/AO.54.002798.
Tsukanova G. I., Butylkina K. D. Fast three-mirror objectives having no intermediate image with convex second and concave third mirrors. Journal of Optical Technology. 2014; 81 (3): 114–117. DOI: 10.1364/JOT.81.000114.
Цуканова Г. И., Бутылкина К. Д. Светосильные трехзеркальные объективы без промежуточного изображения с выпуклым вторым и вогнутым третьим зеркалами. Оптический журнал. 2014; 81 (3): 3–7.
Savitskiĭ A. M., Sokol’skiĭ M. N. Optical systems of objectives for small spacecraft. Journal of Optical Technology. 2009; 76 (10): 657–661. DOI: 10.1364/JOT.76.000657.
Савицкий А. М., Сокольский М. Н. Оптические системы объективов для малых космических аппаратов. Оптический журнал. 2009; 76 (10): 83–88.
Patent RU 2327194. Trekhzerkal’naya opticheskaya sistema bez ekranirovaniya / Grammatin A. P., Gryaznov G. M., Starichenkova V. D. 20.06.2008. (In Russ.).
Патент РФ 2327194. Трехзеркальная оптическая система без экранирования / Грамматин А. П., Грязнов Г. М., Стариченкова В. Д. 20.06.2008.
Patent RU 82876. Trekhzerkal’naya opticheskaya sistema bez ekranirovaniya / Danilov V. A., Putilov I. E., Savitskiy A. M., et al. N. 05.10.2009. (In Russ.).
Патент РФ 82876. Трехзеркальная оптическая система без экранирования / Данилов В. А., Путилов И. Е., Савицкий А. М. и др. 10.05.2009.
Kendrick S. E., Woodruff R. A., Hull T., et al. Multiplexing in astrophysics with a UV multi-object spectrometer on CETUS, a probe-class mission study. Proceedings of SPIE. 2017; 10401: P. 1040111–1–1040111–9. DOI: 10.1117/12.2286681.
Savitskiĭ A. M. How the thermal regime affects the structural characteristics of a space telescope. Journal of Optical Technology. 2009; 76 (10): 662–665. DOI: 10.1364/JOT.76.000662.
Савицкий А. М. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космического телескопа. Оптический журнал. 2009; 76 (10): 89–93.
Baloev V. A., Ivanov V. P., Larionov N. P., et al. A precise method of monitoring the alignment of two-mirror telescopes, based on a system of synthesized annular holograms. Journal of Optical Technology. 2012; 79 (3): 167–173. DOI: 10.1364/JOT.79.000167.
Балоев В. А., Иванов В. П., Ларионов Н. П. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм. Оптический журнал. 2012; 79 (3): 56–64.
Venzel’ V. I., Danilov M. F., Savil’eva A. A., et al. Applicability limits of methods for assembling and adjusting axisymmetric two-mirror objectives with aspheric mirrors. Journal of Optical Technology. 2019; 86 (4): 213–221. DOI: 10.1364/JOT.86.000213.
Вензель В. И., Данилов М. Ф., Савельева А. А. и др. Границы применимости методов сборки и юстировки осесимметричных двухзеркальных объективов с асферическими зеркалами. Оптический журнал. 2019; 86 (4): 22–31. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2019‑86‑04‑22‑31.
OST 3-4730-80 – OST 3-4732-80. Sbornik otraslevykh standartov. Detali opticheskiye s asfericheskimi poverkhnostyami. Metod kontrolya s ispol’zovaniyem sintezirovannykh gologramm. Vved. 01.01.1981. M.: Izd-vo TSNII «Kompleks», 1980. 69 p. (In Russ.).
ОСТ 3‑4730‑80 – ОСТ 3‑4732‑80. Сборник отраслевых стандартов. Детали оптические с асферическими поверхностями. Метод контроля с использованием синтезированных голограмм. Введ. 01.01.1981. М.: Изд-во ЦНИИ «Комплекс», 1980. 69 с.
Patent RU 2786688. Golograficheskoye ustroystvo dlya kontrolya form asfericheskikh opticheskikh poverkhnostey / Lukin A. V., Mel’nikov A. N., Skochilov A. F. 23.12.2022. (In Russ.).
Патент РФ 2786688. Голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей / Лукин А. В., Мельников А. Н., Скочилов А. Ф. 23.12.2022.
Belozerov A. F., Larionov N. P., Lukin А. V., et al. On-axis computer-generated hologram optical elements: History of development and use. Part 1. Photonics Russia. 2014; 4: 12–32.
Белозёров А. Ф., Ларионов Н. П., Лукин А. В. и др. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. 1. Фотоника. 2014; 4: 12–32.
Poleshchuk A., Matochkin A. Lazernye metody kontrolya asfericheskoy optiki. Photonics Russia. 2011; 2: 38–44. (In Russ.).
Полещук А., Маточкин А. Лазерные методы контроля асферической оптики. Фотоника. 2011; 2: 38–44.
Agachev A. R., Larionov N. P., Lukin A. V., et al. Computer-generated holographic optics. Journal of Optical Technology. 2002; 69 (12): 871–878. DOI: 10.1364/JOT.69.000871.
Агачев А. Р., Ларионов Н. П., Лукин А. В. и др. Синтезированная голограммная оптика. Оптический журнал. 2002; 69 (12):23–32.
Melnikov A. N. Possibility of using cylindrical on-axis computer-generated holograms for controlling the shape of large-sized aspheric surfaces. Journal of Optical Technology. 2023; 90 (9): 517–522. DOI: 10.1364/JOT.90.000517.
Мельников А. Н. Возможность применения цилиндрических осевых синтезированных голограмм для контроля формы крупногабаритных асферических поверхностей. Оптический журнал. 2023; 90 (9): 45–54. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2023‑90‑09‑45‑54.
Larionov N. P., Lukin A. V., Melnikov A. N., et al. Laser and holographic stand for the alignment control of Cassegrain and Ritchey-Chretien telescopic systems. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2014; 23 (4): 254–258. DOI: 10.3103/S1060992X14040055.
АВТОР
А. Н. Мельников, к. т. н., доцент, e-mail: mr.melnikov@bk.ru; область научных интересов: оптические приборы и системы гражданского назначения; нач. отд., АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», e-mail: gipo@shvabe.com; г. Казань, Татарстан, Россия
ORCID: 0000-0002-3318-9853
А. Н. Мельников
АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», Казань, Татарстан, Россия
Предложено решение проблемы прецизионного контроля взаиморасположения зеркал в центрированных трехзеркальных телескопах на основе использования осевых синтезированных голограммных оптических элементов (СГОЭ) как на этапе сборки и юстировки телескопов, так и в ходе их эксплуатации для обеспечения регулярной подъюстировки.
Ключевые слова: центрированный трехзеркальный телескоп, сборка, юстировка, регулярная подъюстировка, лазерно-голографический контроль взаиморасположения зеркал, круговой осевой синтезированный голограммный оптический элемент, радиально-секторный осевой синтезированный голограммный оптический элемент, цилиндрический осевой синтезированный голограммный оптический элемент
Статья получена:31.10.2024
Статья принята:20.11.2024
Введение
Для осуществления регулярного мониторинга внеземного пространства, решения фундаментальных вопросов космологии, предотвращения загрязнения околоземного пространства планеты от опасного космического мусора и астероидов, проведения дистанционного зондирования поверхности Земли необходимо постоянно разрабатывать и создавать оптические телескопы как наземного, так и космического базирования, включая космические телескопы (КТ), устанавливаемые на борту малых космических аппаратов [1–4].
Анализ показывает, что для решения задачи проведения дистанционного зондирования поверхности Земли из имеющегося арсенала технических решений наиболее предпочтительными вариантами оптических систем для создания КТ являются центрированные трехзеркальные системы (ЦТС), преимущественно с асферическими рабочими поверхностями, без дополнительных линзовых корректоров [5–10].
Следует отметить основные достоинства ЦТС КТ: они позволяют работать в широком спектральном диапазоне (интегральный коэффициент пропускания всей ЦТС определяется только рабочим спектральным диапазоном отражающих покрытий); обладают увеличенным полем зрения по сравнению с классическими схемами Ричи-Кретьена и Кассегрена; у них отсутствуют дополнительные проблемы с подбором материалов линзовых корректоров, обеспечивающих стабильность характеристик во всем диапазоне рабочих температур; при использовании облегченных зеркал можно добиться уменьшения общей массы КТ [7, 11].
Известно [1, 12, 13], что если обеспечение процессов юстировки в цеховых условиях и регулярной подъюстировки в космических условиях даже центрированных двухзеркальных систем КТ вызывает большие сложности и характеризуется большой трудоемкостью, то для ЦТС КТ, очевидно, эти сложности и трудоемкость юстировки возрастают за счет увеличения степеней свободы юстируемых зеркал и возможных вариаций их взаимного расположения. Поэтому поиск новых подходов в области обеспечения контроля юстировки в производственных и эксплуатационных условиях для ЦТС КТ является актуальным.
Известные технические решения и подходы
Среди ряда применяемых в цеховых условиях в настоящее время методов сборки и юстировки центрированных двухзеркальных систем (ЦДС) [13], в частности, с использованием координатно-измерительных систем, с центрировкой зеркал в оправах, с переносом осей на дополнительную базу при учете их практических ограничений, только прецизионный метод, основанный на использовании осевых СГОЭ и характеризуемый интерферометрической точностью и возможностью работы в широкой области спектра электромагнитных волн, является наиболее перспективным для разработки и использования при контроле сборки и юстировки ЦТС. Частично этот лазерно-голографический подход с использованием осевого СГОЭ на плоской подложке в проходящем свете применялся в схеме Оффнера для сборки и юстировки взаимного положения только двух зеркал – первичного и третичного – при отсутствии в схеме вторичного зеркала [10]. Затем вторичное зеркало точно устанавливалось с помощью трех актуаторов по отношению к отъюстированной паре «первичное зеркало – третичное зеркало». Также, если учитывать наши более ранние технические предложения [12] о возможной применимости голографических устройств контроля (ГУК) на основе системы осевых СГОЭ как датчиков волнового фронта в космических условиях для ЦДС КТ, то развитие этих предложений будет альтернативой существующей практике создания служебных систем КТ в части систем автоматической юстировки и автоматической фокусировки, базирующихся, в частности, на применении систем плоских вспомогательных зеркал, автоколлиматоров, зеркальных ромбов, трипель-призм и позиционно-чувствительных (квадрантных) фотоприемных устройств [11], которые менее точны по сравнению с интерферометрическими датчиками волнового фронта.
Основные положения предлагаемого решения
Поскольку существенный практический интерес для ЦТС КТ представляют ГУК, способные обеспечивать контроль взаимного положения зеркал как в цеховых условиях, так и в условиях эксплуатации с регулярной их подъюстировкой, то построение ГУК можно принципиально реализовать в рамках трех основных вариантов хода лучей в его объектной ветви:
1‑й – с автоколлимационным ходом лучей в проходящем свете (рис. 1а);
2‑й – с автоколлимационным ходом лучей в отраженном свете (рис. 1б);
3‑й – с квазиавтоколлимационным ходом лучей и обращением волнового фронта (рис. 1в).
На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 – точечный источник лазерного излучения; 1′ – изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное оптической системой «осевой СГОЭ 5 (5′) «плюс» зеркало 2 в проходящем свете (зеркало 2′ в отраженном свете) «плюс» вогнутая поверхность зеркала 4»; 1″ – изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное оптической системой «осевой СГОЭ 6 (6′) «плюс» зеркало 2 в проходящем свете (зеркало 2′ в отраженном свете) «плюс» вогнутая поверхность зеркала 3»; 1‴ – автоколлимационное изображение точечного источника лазерного излучения 1, сформированное осевым СГОЭ 7 (7′); 2 – осевое асферическое зеркало на плоско-выпуклой подложке из оптически прозрачного материала с нанесенным на выпуклую поверхность полупрозрачным оптическим покрытием; 2′ – осевое асферическое зеркало на плоско-выпуклой подложке из оптически непрозрачного материала и / или с облегчением; 3 и 4 – внеосевые асферические зеркала на плоско-вогнутых подложках; 5 (5′) – круговой (цилиндрический или радиально-секторный) осевой СГОЭ для контроля взаиморасположения зеркала 4; 6 (6′) – круговой (цилиндрический или радиально-секторный) осевой СГОЭ для контроля взаиморасположения зеркала 3; 7 (7′) – автоколлимационный круговой (цилиндрический) осевой СГОЭ; 8 – диафрагма в виде усеченного конуса, выполненная в вершине выпуклой поверхности зеркала 2′, при этом геометрическая ось диафрагмы 8 совпадает с оптическими осями зеркала 2′ и всей ЦТС; OO′ – оптическая ось юстируемой системы; O1 – центр плоской тыльной поверхности зеркала 2; O2 – вершина выпуклой поверхности зеркала 2 (2′); O3 – вершина «материнской» вогнутой поверхности зеркала 3; O4 – вершина «материнской» вогнутой поверхности зеркала 4; тт. O1, O2, O3, O4, 1, 1′, 1″ и 1‴ расположены на оптической оси OO′. На рисунках 1ж и 1к осевые СГОЭ 5′, 6′, 7′ выполнены в виде радиально-секторных (сегментных) апертур в краевой зоне выпуклой поверхности зеркала 2′.
Реализация 1‑го варианта возможна лишь, когда подложка базового зеркала 2 является сплошной, без облегчения и выполненной из оптически прозрачного материала. Оптический материал подложки и ее полированные фронтальная и тыльная поверхности должны соответствовать жестким допускам по оптическим параметрам, а на фронтальной поверхности этого зеркала должно быть нанесено полупрозрачное оптическое покрытие.
Для КТ, в которых подложка базового зеркала 2′ выполнена с облегчением и/или из оптически непрозрачных материалов (металлов, металлических сплавов, композитных материалов), построение ГУК возможно только на основе реализации 2‑го или 3‑го вариантов. Хотя эти варианты построения ГУК более универсальны и могут быть осуществлены на основе использования базового зеркала 2 с подложкой, выполненной из оптически прозрачного материала, сплошной, без облегчения.
Принцип функционирования ГУК в качестве датчиков волнового фронта, приведенных на рисунках 1а, 1б, 1в, аналогичен устройству для контроля юстировки ЦДС [12] и заключается в получении, регистрации и анализе интерференционных картин, характеризующих линейное и угловое взаиморасположение зеркал 2 (2′)–4 относительно друг друга, точечного источника лазерного излучения 1 и оптической оси системы OO′, причем за базовую поверхность, на которой формируется система осевых СГОЭ 5–7 (5′–7′), можно принять плоскую тыльную поверхность зеркала 2 (рисунок 1а) или выпуклую фронтальную поверхность зеркала 2′ (рис. 1б, 1в).
Рассматриваемые ГУК в качестве компонентов обратной связи предлагается включить в состав стандартных систем автоматической юстировки КТ с исполнительными приводами в виде прецизионных актуаторов, управляющих линейными и угловыми положениями каждого из трех зеркал, добиваясь их расчетных расположений в рамках заданной оптической системы.
При расчете частотных характеристик (ЧХ) осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) учитываются длина волны λк зондирующего лазерного излучения, уравнения профилей меридиональных сечений «материнских» поверхностей зеркала 4 и зеркала 3 соответственно и расчетные параметры расположения этих зеркал с учетом двойного прохождения зондирующего излучения через подложку зеркала 2 (для рис. 1а методика расчета ЧХ осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) аналогична приведенной в [14]) или отражения этого излучения от фронтальной поверхности зеркала 2′ (для рис. 1б методика расчета ЧХ осевых СГОЭ 5 (5′) и 6 (6′) соответствует описанной в [12], а для рис. 1в – предложенной в [15]). ЧХ автоколлимационного осевого СГОЭ 7 (7′) получают в результате расчета зонной пластинки требуемого фокусного расстояния на заданной длине волны λк.
Изготовление осевых СГОЭ 5–7 (рис. 1г, 1е) и осевых СГОЭ 5–6 (рис. 1и) в виде круговых апертур, осевых СГОЭ 5′–7′ (рис. 1ж) и осевых СГОЭ 5′–6′ (рис. 1к) в виде радиально-секторных (сегментных) апертур возможно со световыми диаметрами до 500–600 мм на круговых делительных машинах типа МДА и МДГ при помощи специальных алмазных резцов [16] или с областью записи апертур до 300 мм с использованием круговых лазерных записывающих систем [17].
Так как в процессе изготовления осевых СГОЭ их центрировка выполняется с высокой точностью, например, по общей базовой цилиндрической поверхности зеркала 2 (2′), то оптические оси этих СГОЭ будут совмещены с оптической осью зеркала 2 (2′) с наименьшей возможной погрешностью (практически не более одного микрометра) [18]. Так же их центрировка с зеркалом 2 (2′), очевидно, сохраняется неизменной в дальнейшем в процессе эксплуатации ЦТС. Эта особенность также повышает надежность контроля юстировки предложенным ГУК как в цеховых условиях, так и в режиме эксплуатации.
Можно дополнительно отметить, что осевые СГОЭ могут быть изготовлены для работы на длине волны, меньшей, чем длина волны коротковолновой границы спектрального рабочего диапазона юстируемой ЦТС. Поэтому штриховые структуры осевых СГОЭ (рис. 1е, 1ж, 1и, 1к) могут быть нанесены в любой части световой зоны отражающей фронтальной поверхности зеркала 2′ без оказания их негативного действия на формирование изображения КТ на рабочих длинах волн.
Особый практический интерес представляют предложенные подходы по созданию ГУК взаиморасположения зеркал для светосильных и широкоугольных крупногабаритных телескопов наземного и космического базирования с ЦТС [6]. В этих ЦТС реализовывать ГУК взаиморасположения крупногабаритных зеркал, диаметры которых могут лежать в диапазоне от метра до нескольких метров, предлагается не на основе круговых или радиально-секторных осевых СГОЭ, изготовление которых на подложках крупногабаритных зеркал практически невозможно в силу отсутствия соответствующего технологического оборудования, а исключительно лишь при помощи цилиндрических осевых СГОЭ (ЦОСГОЭ).
Предлагается изготавливать ЦОСГОЭ шириной от 10 до 20 мм. Данный подход с использованием ЦОСГОЭ и пути его реализации есть развитие предложения, изложенного ранее автором в [19]. Следует отметить, что ЦОСГОЭ должны быть выполнены преимущественно в виде амплитудных синтезированных голограмм, что позволяет практически исключить зависимость дифракционной эффективности ЦОСГОЭ от угла падения лучей от монохроматического точечного источника излучения, используемого в ГУК, в различных зонах его светового диаметра, тем самым обеспечить постоянство видности интерференционных полос получаемых интерферограмм в пределах контролируемого светового поля.
Условный вид возможной реализации ЦОСГОЭ показан на рис. 1д. При этом автоколлимационный ЦОСГОЭ 7′ представляет собой систему двух цилиндрических голограмм, изготовленных ортогонально друг относительно друга, для обеспечения более точного и надежного совмещения точечного источника лазерного излучения 1 с автоколлимационным его изображением 1‴. Аналогично на выпуклой фронтальной поверхности зеркала 2′ можно нанести ЦОСГОЭ с ЧХ, которые равны ЧХ круговых или радиально-секторных осевых СГОЭ, представленных условно на рисунках 1е, 1ж, 1и, 1к.
Оценки показывают, что лазерно-голографический контроль взаиморасположения зеркал в рассматриваемых ЦТС с помощью системы осевых СГОЭ предлагаемых ГУК можно осуществить с погрешностью, не превышающей 0,01λк, где λк – длина волны зондирующего лазерного излучения, и этот параметр используется при выборе размеров и разрешающей способности позиционно-чувствительной системы регистрации получаемой интерференционной картины.
Заключение
Так как в настоящее время ЦТС имеют повышенный интерес у разработчиков КТ, то предложенный подход в создании ГУК взаиморасположения зеркал в рассмотренных ЦТС на основе использования осевых СГОЭ является актуальным. Данный подход является развитием предложений, опубликованных в [12, 15, 16] и подтвержденных результатами физического моделирования на примере контроля сборки и юстировки прототипа ЦДС [20], и открывает возможность решения проблемы реализации лазерно-голографического контроля сборки и юстировки ЦТС КТ как в цеховых, так и при регулярной подъюстировке в эксплуатационных космических условиях. Особую актуальность и перспективность представляет применение ЦОСГОЭ в предложенных ГУК для целей контроля сборки и юстировки светосильных и широкоугольных крупногабаритных КТ. В рамках этого подхода в построении ГУК очевидны преимущества: интерферометрическая точность, надежность и оперативность выполнения контрольных функций, минимизация массогабаритных параметров и энергопотребления.
Для осуществления комплексных работ по созданию, отработке и испытанию предложенных ГУК взаиморасположения зеркал в ЦТС КТ, включая создание современного высокоточного технологического оборудования для изготовления СГОЭ, требуются постановка и проведение комплексных НИОКР в кооперации с разработчиками КТ и прецизионной аппаратуры.
REFERENCES
Bronshtein Yu. L. Krupnogabaritnye zerkalnye sistemy (kontrol’ geometrii, justirovka). M.: DPK Press, 2015. 600 p. (In Russ.).
Бронштейн Ю. Л. Крупногабаритные зеркальные системы (контроль геометрии, юстировка). М.: ДПК Пресс, 2015. 600 с.
Chen Zh., Zhu J., Peng J., et al. A coaxial and off-axial integrated three-mirror optical system with high resolution and large field of view. Journal of the Optical Society of Korea. 2016; 20 (1): 94–100. DOI: 10.3807/JOSK.2016.20.1.094.
Bakholdin A. V., Butylkina (Rodionova) K. D., Vasil’ev V. N., et al. Development and analysis of reflective and catadioptric optical systems for Earth remote sensing. Journal of Optical Technology. 2017; 84 (11): 761–766. DOI: 10.1364/JOT.84.000761.
Бахолдин А. В., Бутылкина (Родионова) К. Д., Васильев В. Н. и др. Разработка и исследование зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем для дистанционного зондирования Земли. Оптический журнал. 2017; 84 (11): 55–61.
Stahl H. P. Advanced ultraviolet, optical, and infrared mirror technology development for very large space telescopes. Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2020; 6 (2): 025001–1–025001–26. DOI: 10.1117/1.JATIS.6.2.025001.
Guo Xi., Dong L., Zhao Yu., et al. Imaging and image restoration of an on-axis three-mirror Cassegrain system with wavefront coding technology. Applied Optics. 2015; 54 (10): 2798–2805. DOI: 10.1364/AO.54.002798.
Tsukanova G. I., Butylkina K. D. Fast three-mirror objectives having no intermediate image with convex second and concave third mirrors. Journal of Optical Technology. 2014; 81 (3): 114–117. DOI: 10.1364/JOT.81.000114.
Цуканова Г. И., Бутылкина К. Д. Светосильные трехзеркальные объективы без промежуточного изображения с выпуклым вторым и вогнутым третьим зеркалами. Оптический журнал. 2014; 81 (3): 3–7.
Savitskiĭ A. M., Sokol’skiĭ M. N. Optical systems of objectives for small spacecraft. Journal of Optical Technology. 2009; 76 (10): 657–661. DOI: 10.1364/JOT.76.000657.
Савицкий А. М., Сокольский М. Н. Оптические системы объективов для малых космических аппаратов. Оптический журнал. 2009; 76 (10): 83–88.
Patent RU 2327194. Trekhzerkal’naya opticheskaya sistema bez ekranirovaniya / Grammatin A. P., Gryaznov G. M., Starichenkova V. D. 20.06.2008. (In Russ.).
Патент РФ 2327194. Трехзеркальная оптическая система без экранирования / Грамматин А. П., Грязнов Г. М., Стариченкова В. Д. 20.06.2008.
Patent RU 82876. Trekhzerkal’naya opticheskaya sistema bez ekranirovaniya / Danilov V. A., Putilov I. E., Savitskiy A. M., et al. N. 05.10.2009. (In Russ.).
Патент РФ 82876. Трехзеркальная оптическая система без экранирования / Данилов В. А., Путилов И. Е., Савицкий А. М. и др. 10.05.2009.
Kendrick S. E., Woodruff R. A., Hull T., et al. Multiplexing in astrophysics with a UV multi-object spectrometer on CETUS, a probe-class mission study. Proceedings of SPIE. 2017; 10401: P. 1040111–1–1040111–9. DOI: 10.1117/12.2286681.
Savitskiĭ A. M. How the thermal regime affects the structural characteristics of a space telescope. Journal of Optical Technology. 2009; 76 (10): 662–665. DOI: 10.1364/JOT.76.000662.
Савицкий А. М. Влияние теплового режима на конструктивные характеристики космического телескопа. Оптический журнал. 2009; 76 (10): 89–93.
Baloev V. A., Ivanov V. P., Larionov N. P., et al. A precise method of monitoring the alignment of two-mirror telescopes, based on a system of synthesized annular holograms. Journal of Optical Technology. 2012; 79 (3): 167–173. DOI: 10.1364/JOT.79.000167.
Балоев В. А., Иванов В. П., Ларионов Н. П. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм. Оптический журнал. 2012; 79 (3): 56–64.
Venzel’ V. I., Danilov M. F., Savil’eva A. A., et al. Applicability limits of methods for assembling and adjusting axisymmetric two-mirror objectives with aspheric mirrors. Journal of Optical Technology. 2019; 86 (4): 213–221. DOI: 10.1364/JOT.86.000213.
Вензель В. И., Данилов М. Ф., Савельева А. А. и др. Границы применимости методов сборки и юстировки осесимметричных двухзеркальных объективов с асферическими зеркалами. Оптический журнал. 2019; 86 (4): 22–31. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2019‑86‑04‑22‑31.
OST 3-4730-80 – OST 3-4732-80. Sbornik otraslevykh standartov. Detali opticheskiye s asfericheskimi poverkhnostyami. Metod kontrolya s ispol’zovaniyem sintezirovannykh gologramm. Vved. 01.01.1981. M.: Izd-vo TSNII «Kompleks», 1980. 69 p. (In Russ.).
ОСТ 3‑4730‑80 – ОСТ 3‑4732‑80. Сборник отраслевых стандартов. Детали оптические с асферическими поверхностями. Метод контроля с использованием синтезированных голограмм. Введ. 01.01.1981. М.: Изд-во ЦНИИ «Комплекс», 1980. 69 с.
Patent RU 2786688. Golograficheskoye ustroystvo dlya kontrolya form asfericheskikh opticheskikh poverkhnostey / Lukin A. V., Mel’nikov A. N., Skochilov A. F. 23.12.2022. (In Russ.).
Патент РФ 2786688. Голографическое устройство для контроля формы асферических оптических поверхностей / Лукин А. В., Мельников А. Н., Скочилов А. Ф. 23.12.2022.
Belozerov A. F., Larionov N. P., Lukin А. V., et al. On-axis computer-generated hologram optical elements: History of development and use. Part 1. Photonics Russia. 2014; 4: 12–32.
Белозёров А. Ф., Ларионов Н. П., Лукин А. В. и др. Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Ч. 1. Фотоника. 2014; 4: 12–32.
Poleshchuk A., Matochkin A. Lazernye metody kontrolya asfericheskoy optiki. Photonics Russia. 2011; 2: 38–44. (In Russ.).
Полещук А., Маточкин А. Лазерные методы контроля асферической оптики. Фотоника. 2011; 2: 38–44.
Agachev A. R., Larionov N. P., Lukin A. V., et al. Computer-generated holographic optics. Journal of Optical Technology. 2002; 69 (12): 871–878. DOI: 10.1364/JOT.69.000871.
Агачев А. Р., Ларионов Н. П., Лукин А. В. и др. Синтезированная голограммная оптика. Оптический журнал. 2002; 69 (12):23–32.
Melnikov A. N. Possibility of using cylindrical on-axis computer-generated holograms for controlling the shape of large-sized aspheric surfaces. Journal of Optical Technology. 2023; 90 (9): 517–522. DOI: 10.1364/JOT.90.000517.
Мельников А. Н. Возможность применения цилиндрических осевых синтезированных голограмм для контроля формы крупногабаритных асферических поверхностей. Оптический журнал. 2023; 90 (9): 45–54. DOI: 10.17586/1023‑5086‑2023‑90‑09‑45‑54.
Larionov N. P., Lukin A. V., Melnikov A. N., et al. Laser and holographic stand for the alignment control of Cassegrain and Ritchey-Chretien telescopic systems. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2014; 23 (4): 254–258. DOI: 10.3103/S1060992X14040055.
АВТОР
А. Н. Мельников, к. т. н., доцент, e-mail: mr.melnikov@bk.ru; область научных интересов: оптические приборы и системы гражданского назначения; нач. отд., АО «НПО «Государственный институт прикладной оптики», e-mail: gipo@shvabe.com; г. Казань, Татарстан, Россия
ORCID: 0000-0002-3318-9853
Отзывы читателей
