Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения

Жук, Дмитрий Иванович

Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Жук, Дмитрий Иванович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения»

Автореферат диссертации на тему "Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения"

На правах рукописи

Жук Дмитрий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ЗЕРКАЛА В ЗАДАЧАХ СОЗДАНИЯ ТЕЛЕСКОПА С НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Научно-исследовательском Институте Лазерной Физики (НО-1, ФГУП «Научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова"»)

Научный руководитель; кандидат физико-математических наук

С.А. Димаков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.Г. Беспалов

Ведущая организация:

кандидат технических наук Ю.А. Резунков

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ".

Защита состоится « ХЧ » 2006 г. в М. час. ЗОжт. на заседании

диссертационного совета Д 407.001.01 при ФГУП «Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова"» по адресу: 199034, Санкт-Петербург, В.О., Биржевая линия, д. 12.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке ФГУП «Всероссийский научный центр "ГОИ им. С.И. Вавилова"»

Автореферат разослан «» 04 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 407.001.01 доктор технических наук, профессор

А.И. Степанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие крупногабаритных (диаметр главного зеркала больше 1 м) высокоразрешающих телескопов как наземного, так и космического базирования, является новым шагом на пути создания приборов позволяющих вести наблюдение за объектами с большой степенью точности. Стремление увеличивать диаметр главного зеркала (ГЗ) телескопа приводит разработчиков к совершенствованию его конструкции и технологии изготовления. Это объясняется тем, что классический подход к изготовлению таких зеркал основывается на монолитной массивной конструкции. При этом его стоимость и масса существенно возрастают с увеличением его диаметра. Снижение массовых и ценовых параметров крупногабаритных зеркал является очень важной задачей.

Отступление от стандартной технологии изготовления ГЗ влечет за собой ухудшения его оптического качества. Однако, активно развивающиеся методы компенсации искажений с помощью нелинейной оптики, позволяют существенно понизить требования к оптическому качеству ГЗ. Те искажения, которые будет приобретать изображение наблюдаемого объекта, построенное низкокачественным ГЗ, могут быть скомпенсированы специальной системой нелинейно-оптической коррекции. Таким образом, стала очевидной необходимость применения новых принципов построения крупногабаритных ГЗ совместно с этими методами компенсации искажений.

Новые подходы к формированию вогнутых ГЗ рассматривают различные его конструкции с применением новых конструкционных композитных материалов. Это могут быть зеркала, составленные из отдельных сегментов или сплошные зеркала у которых тыльная сторона представляет собой ячеистую структуру.

Другая технология в разработке «нового» ГЗ может быть основана на использовании эластичной тонкой пленки с отражающим покрытием натянутой на специальную круговую оправу. Вес такого зеркала может быть существенно меньше, чем в традиционных конструкциях. Его можно будет разворачивать в рабочее положение из компактного состояния, что особенно перспективно для использования в телескопах космического базирования. При необходимости тонкопленочное зеркало может иметь некоторый диапазон перестроек по кривизне. Форма рабочей поверхности этого зеркала может формироваться, например, при помощи перепада давления газа на его поверхность. Такой принцип построения зеркала с переменным фокусным расстоянием, был предложен еще в 1961 году [I]. Однако никаких измерений относительно его оптического качества в то время сделано не было. Такие зеркала применялись там, где не требовалось высокого оптического качества поверхности, например, в гелиотехнике при сооружении больших концентраторов солнечной энергии, в

системах связи космического базирования в качестве антенн, рефлекторов, космических радаров и пр. Дальнейшее развитие тонкопленочной оптики работающей, например, в наблюдательных телескопических системах, где требуется высокое разрешение наблюдаемого объекта, не нашло активного продолжения до настоящего времени. За последние годы возобновился интерес к пленочным зеркалам. Такие элементы, могут использоваться в качестве достаточно дешевой замены главного (монолитного) зеркала в телескопических системах с коррекцией искажений нелинейными методами. Наличие системы компенсации искажений необходимо, поскольку тонкопленочное зеркало имеет невысокое оптическое качество, которое характеризуется искажениями его рабочей поверхности. Для того чтобы эти искажения, вносимые в изображение объекта, эффективно компенсировались, их величина не должна превышать некоторого допустимого значения, которое определяется конкретно используемой системой коррекции. Создание тонкопленочного зеркала с минимально возможными искажениями его поверхности является сложной физико-технической задачей, которая мало изучена. Таким образом, тема диссертации, посвященная детальному исследованию тонкопленочных зеркал, является актуальной.

Цель работы

Цель диссертационной работы состояла главным образом в исследовании макета тонкопленочного зеркала с неидеальным оптическим качеством, но таким, что позволяет использовать зеркало в задачах построения телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения. Это в свою очередь требовало исследовать характер и величину искажений рабочей поверхности зеркала, и исследовать пути их снижения.

Для реализации поставленной цели основными задачами работы являлись:

- разработка методики создания и настройки фокусирующего тонкопленочного зеркала формируемого из плоской пленки;

- реализация тонкопленочного зеркала с предварительной формой его рабочей поверхности;

- экспериментальное исследование методов, позволяющих улучшить качество рабочей поверхности тонкопленочного зеркала;

- экспериментальное исследование макета тонкопленочного зеркала в системе компенсации оптических искажений методами динамической голографии.

Методы исследований

Поставленные в диссертационной работе задачи решались с применением следующих основных методов:

. - метод последовательных приближений для настройки тонкоплепочного зеркала;

- метод калиброванных диафрагм при определении углового распределения энергии излучения, отраженного от зеркала;

- интерференционный метод исследования поверхности тонкопленочного зеркала;

- метод двух экспозиций, применяемый в голографической интерферометрии;

- графический метод обработки результатов экспериментов.

Научная новизна

1. Сформулирован и практически проверен подход к созданию и настройке тонкопленочного зеркала, позволяющий сформировать его рабочую поверхность с наименьшими искажениями.

2. Детально выполнен комплекс экспериментальных исследований, направленных на улучшение оптического качества тонкопленочного зеркала.

3. Разработан метод создания тонкопленочного зеркала с высокой светосилой (О/Т ~ 1).

4. Тонкопленочное зеркало использовалось в качестве главного зеркала в макете наблюдательной телескопической системы с коррекцией искажений методами динамической голографии. Невзирая на низкое оптическое качество пленочного зеркала, экспериментально продемонстрирована возможность компенсации искажений, которые вносятся в построенное им изображение объекта.

Научное и практическое значение

Научное значение определяется, прежде всего, экспериментальным проведением исследований, направленных на изучение оптического качества получаемой рабочей поверхности тонкопленочного зеркала и дальнейшего его улучшения. Проведенные в рамках диссертации исследования позволили лучше понять характер возникающих искажений поверхности зеркала и выработать практические способы их уменьшения с тем, чтобы затем зеркало можно было использовать для решения конкретных задач. Анализ полученных результатов является существенным для оптимизации различных конструкций пленочпых зеркал с заданными характеристиками.

На практике эти зеркала могу применяться там, где изготовление высококачественной оптики неоправданно дорого. Например, в системах по созданию объемного изображения большого размера, который определяется диаметром используемого зеркала. Результаты по коррекции искажений тонкопленочного зеркала представляют интерес для применения пленочных зеркал в качестве главного зеркала наблюдательного телескопа с компенсацией искажений методами нелинейной оптики. Это могут быть телескопы космического базирования, наблюдательные бортовые системы с базированием на летательных аппаратах (самолет, вертолет и т.п.) в пределах земной атмосферы, системы мониторинга окружающей среды, например, лидары.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы, а именно тонкопленочные зеркала с требуемой формой поверхности, было предложено использовать в виде технических предложений при изготовлении фокусирующей оптики (коллектора лазерного пучка), для моделей легкого космического аппарата с лазерным реактивным двигателем, которые были разработаны в ходе выполнения работ по проекту МНТЦ № 1801 «Исследование возможности применения лазерных движителей в космосе» (ведущая организация - НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов, г. Сосновый Бор, Леншгградская обл.). Это позволит существенно облегчить конструкцию космического аппарата с лазерным двигателем на борту.

Личный вклад

Все изложенные в диссертации результаты получены автором либо лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач, экспериментальных исследованиях, интерпретации и обсуждении результатов.

Положении выносимые на защиту

1. Предложено и реализовано техническое решение создания и настройки тонкопленочных зеркал, предназначенных для телескопов с голографической коррекцией изображения, обладающих переменным фокусным расстоянием, изменяющимся в диапазоне F = (-оо,-1.5м] U [1.5м,+оо) и оптическим качеством, при котором 50% энергии, отраженной от его рабочей поверхности, сосредоточено в телесном угле, размер которого составляет 50 дифракционных углов.

2. Разработана технология изготовления светосильных зеркал на основе тонких эластичных пленок с предварительной формой отражающей поверхности, основанная на предварительном растяжении плоской пленки, её формовке и последующем отжиге. По этой технологии изготовлен макет пленочного зеркала с относительным отверстием D/F ~ 1 и диаметром 190 мм.

3. Показано, что применение методов коррекции формы рабочей поверхности тонкопленочного зеркала при помощи центрального толкателя пленки, статической термокоррекции или электростатического поля, позволяет дополнительно до 30% уменьшить его оптические искажения.

4. В демонстрационных экспериментах показана возможность использования разработанного макета тонкопленочного зеркала в схеме наблюдательного телескопа с голографической коррекцией изображения протяженного объекта.

Публикации и апробация работы

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата, и докладывались на 5

международных конференциях SPIE, международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 99», международной конференции «Оптика лазеров 2000».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 109 страниц, включая 2 таблицы, 41 рисунок и 91 библиографические ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, цели и задачи исследования, кратко рассматривается содержание работы по главам, и перечисляются защищаемые положения.

В первой главе проводиться литературный обзор, в котором проанализированы этапы развития технологий по изготовлению крупногабаритных зеркал с уменьшенной массой. Тенденция такова, что снижение поверхностной плотности оптического элемента является важной задачей. В связи с этим, чтобы решить задачу изготовления зеркал большого диаметра и с уменьшенной массой, объединяются технические возможности систем коррекции искажений как адаптивных, так и нелинейно-оптических с новыми технологиями в изготовлении облегченной оптики

Одна из технологий по уменьшению массовой поверхностной плотности крупногабаритных зеркал, основана на изготовлении зеркал из композитных материалов.

Другой технологией является использование тонких эластичных пленок (мембран). Минимальная толщина рабочей поверхности таких зеркал может доходить до нескольких десятков и даже единиц микрон [II].

Из предшествующих работ, посвященных теоретическим исследованиям фокусирующих тонкопленочных зеркал сформированных из плоских пленок, показано, что такие зеркала обладают низким оптическим качеством. Причина этого заключается в физико-механических свойствах тонкой пленки, её реакции на внешнее воздействие. Для дальнейшей работы такого зеркала в качестве главного зеркала телескопа, требуется наличие системы коррекции искажений вносимых в изображение наблюдаемого объекта. Чтобы достичь успешной коррекции, качество таких зеркал должно удовлетворять требованиям системы, совместно с которой работает зеркало. Таким образом, одним из основных направлений в исследовании тонкопленочных зеркал рассматриваются способы по улучшению качества их рабочей поверхности. Остались невыполненными экспериментальные исследования в этом направлении. Нерешена задача по изготовлению тонкопленочного зеркала с требуемым оптическим качеством.

В разделе 1.4 первой главы диссертации рассмотрены, описанные в литературе, демонстрационные эксперименты по компенсации искажений методами динамической голографии. Отмечено, что эксперименты по коррекции искажений пленочного зеркала независимо и практически в одно и тоже время проводились и американскими учеными [III]. Однако остались не выполненными эксперименты по коррекции искажений пленочного зеркала при увеличении его светового диаметра (более 150 мм), и когда объектом наблюдения служит протяженный источник.

Во второй главе проводятся исследования, рассматривающие вопросы формирования тонкопленочных (мембранных) зеркал.

Самым простым вариантом является фокусирующее тонкопленочное зеркало, формируемое из первоначально плоско растянутой пленки, к поверхности которой прикладывается равномерное давление. Определенная последовательность технологических этапов позволила изготовить макет такого зеркала световым диаметром 250 мм из алюминированной лавсановой пленки толщиной 20 мкм и обеспечить наиболее качественную отражающую поверхность. Затем эта поверхность настраивалась. Для этого был выбран метод Гартмана, и проведен комплекс исследований, позволивший разработать методику настройки зеркала. С этой целью в конструкции зеркала была предусмотрена возможность, менять как общее, так и локальное натяжение пленки в радиальном направлении. Важным принципом методики настройки является поэтапность, т.е. зеркало настраивается для ряда сменных масок, устанавливаемых на его поверхность. Настроечные маски представляли собой сплошной круг, от центра которого на определенном расстоянии по окружности проделаны небольшие отверстия. Процесс настройки проводился в отраженном свете от вспомогательного точечного источника, образованного с помощью гелий-неонового лазера. Пример типичной настроечной картины иллюстрирует рис. 1а, на котором видны отдельные пятна, полученные с надетой на зеркало настроечной маской. С помощью специально оборудованных настроечных винтов, регулирующих натяжение пленки, пятна сводились по возможности вместе в центр (см. рис.lb). Потом настроечные маски убирались, и можно было наблюдать истинное изображение точечного источника. Таким образом, примененная методика по настройке рабочей поверхности тонкопленочного зеркала световым диаметром 250 мм позволила получить, возможно, оптимальное оптическое качество его поверхности.

В дальнейших экспериментах исследовалось качество рабочей поверхности реализованного макета тонкопленочного зеркала. Критерием качества служила величина так называемого относительного искажения, измеряемого в дифракционных углах («W = 2.44Ä7D, где D - диаметр зеркала), в пределах которого сосредоточена определенная доля полной энергии, отраженной от поверхности зеркала. В результате этих исследований было установлено, что в плоском состоянии, когда на пленку не действует перепад

давления газа, размер изображения точечного объекта, которое формирует тонкопленочное зеркало, при введении фокусирующей линзы, всего в два раза отличается от соответствующего эталонного размера, построенного плоским высококачественным алюминированным зеркалом. Для вогнутого пленочного зеркала с полным световым диаметром 250 мм и фокусным расстоянием 1500 мм, размер изображения точечного источника увеличивается, а доля энергии, содержащаяся в нем, составляет такую величину, что 50 % отраженной энергии от поверхности зеркала укладывается в размер, соответствующий 50-и дифракционным углам. Следует отметить, что теоретически рассчитанное оптическое качество данного фокусирующего

А $

^ * Рис. 1. Иллюстрация настроечной

картины в плоскости фокусировки в начале (а) и в конце (Ь) настройки зеркала с настроечной маской.

пленочного зеркала, где учитываются идеальные условия (равнотолщинность пленки; контур закрепления — идеальная окружность; идеальная опорная плоскость; равномерное растяжение), характеризуется тем, что 50 % энергии отраженной от зеркала, сосредоточено в угле, превышающем дифракционный предел в 40 раз. Таким образом, несмотря на большое количество факторов (например, неравномерность закрепления пленки по контуру; неидеальная плоскостность опорного кольца; неравномерное растяжение пленки и т.п.), препятствующих созданию тонкопленочного зеркала идеального оптического качества, в результате проведенных исследований удалось реализовать фокусирующее пленочное зеркало с качеством, ненамного уступающим качеству зеркала, рассчитанного в математической модели [IV].

Предпринятые интерферометрические исследования отражающей поверхности тонкопленочного зеркала, несмотря на её сильные искажения, показали, что в зоне диаметром 150 мм отчетливо видны интерференционные полосы, их плотность в среднем не превышает 20 лин/мм. Это в свою очередь говорит о том, что возможно с помощью разных современных нелинейных сред записать в них голограмму, используя подобные зеркала и Таким образом приготовить топографический корректор, который будет компенсировать искажения объекта, изображение которого строится таким тонкопленочным зеркалом.

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить и понять те проблемы, которые возникают при формировании фокусирующих тонкопленочных зеркал из эластичных плоских пленок.

В ходе исследований было отмечено, что при увеличении линейных размеров апертуры пленочного зеркала, увеличивались искажения его рабочей поверхности. Наряду с этим недостатком, для фокусирующих тонкопленочных зеркал на основе плоских тонких пленок, существует также ограничение на их светосилу. Причина заключается в том, что для улучшения их оптических характеристик пленка должна быть равномерно растянута как можно сильнее [IV]. Это, в свою очередь, ограничивает достижимую кривизну рабочей поверхности зеркала. Таким образом, возникают ограничения на диаметр зеркала, его относительное отверстие и оптическое качество. Получается, что для фокусирующего зеркала сформированного из первоначально плоской круглой пленки под действием однородного поперечного давления и равномерного растяжения контура, достижение большой светосилы (относительное отверстие 0/Р~1), невозможно.

Теоретические исследования [V] показали: для того, чтобы сформировать светосильное тонкопленочное зеркало и одновременно улучшить его оптическое качество поверхности, необходимо использовать пленки с требуемым предварительным профилем. Создание такого светосильного зеркала требует особого подхода. При этом следует отметить, что поскольку тонкая пленка эластична и практически не обладает жесткостью, требующейся для поддержания её формы (рис.2а), нужно приложить к поверхности пленки небольшое давление для придания зеркалу необходимой формы (см. рис.2Ь).

I тонкая пленка с

| предварительной

] формой а

| свободном

;; \ СОСТОЯНИИ

тонкая пленка с $ предварительной , формой к которой ■ 5; приложено слабое ^ давление

Рис. 2. Концепция

светосильного тонкопленочного зеркала.

Требуемое небольшое усилие, для поддержания предварительно сформированной поверхности тонкопленочного зеркала в рабочем состоянии, может создаваться, например, не перепадом газового давления, а при помощи электростатического притяжения пленки к дополнительному электроду. Преимущество такого способа нагрузки заключается, например, в том, что указанную нагрузку можно делать при необходимости переменной по

поверхности зеркала, в то время как в случае перепада газового давления такая нагрузка может быть только однородной.

В разделе 2.4 диссертации экспериментально исследуется возможность применения, в качестве нагрузки на пленку, электростатического давления. На первом этапе цель эксперимента заключалась в определении притягивающего усилия возникающего в результате подвода электрического потенциала к плоской пленке и электроду. Поскольку созданное таким образом усилие планируется использовать для пленочных зеркал с предварительной формой, то чтобы возникающее усилие было более равномерным, желательно, чтобы электрод имел также предварительный профиль близкий к предварительному профилю пленки. Это обстоятельство серьезно усложняло выполнение данного эксперимента. Поэтому, чтобы упростить условия, было взято изначально плоское пленочное зеркало и плоский электрод.

Исследуемая конструкция малоразмерного (диаметром 50 мм) макета пленочного зеркала имела электрод, расположеш1ый за пленкой и представляла собой плоский конденсатор, для которого значение электростатической силы притяжения, когда расстояние между электродами почти не изменяется, может быть вычислено по известной формуле: Р=ее05Е2/2, где е - диэлектрическая проницаемость среды, Б - площадь электрода, Е - напряженность электрического поля. На данный эксперимент накладывалось существенное ограничение, связанное с величиной напряженности пробоя в воздухе, равной 3 кВ/мм. При этом создавалась небольшая величина электростатического давления, эквивалентная перепаду давления воздуха равному 1.4*10"4 атм. Это позволяет придавать поверхности зеркала малую кривизну и может использоваться, если нужно плавно управлять формой поверхности уже вогнутого зеркала или проводить ее коррекцию. Описание таких экспериментальных исследований дается в главе 3 диссертации. Следует отметить, что в условиях космического вакуума, где отсутствует атмосфера, возможно удастся реализовать электростатическое давление в десятки раз больше чем в земных условиях, что по-видимому позволит придавать большую кривизну поверхности пленочного зеркала.

Для продолжения серии экспериментальных исследований тонкопленочных зеркал с предварительной формой рабочей поверхности, необходимо было реализовать макет такого зеркала.

Профиль пленочного зеркала формировался при использовании процесса «штамповки». Растянутая по контуру и закрепленная в оправе круглая тонкая пленка натягивалась на высококачественную матрицу подходящей формы. При этом необходимо было, чтобы в материале пленки произошли пластические деформации. Непосредственно перед соприкосновением пленки и матрицы обе поверхности очень тщательно очищались от грязи и пыли в специально оборудованном помещении. В противном случае наличие пыли приводило, в конечном счете, к образованию на отражающей поверхности зеркала

множества мелких выемок. Затем матрица с обтянутой пленкой нагревалась в термической печи до определенной температуры. После медленного охлаждения пленка снималась с матрицы и имела предварительную форму, которая в свободном состоянии на своей поверхности имела небольшую волнистость. Для того чтобы восстановить правильную её форму, необходимо повторить те нагрузки на пленку, которые реализовывались до снятия её с матрицы. В главе 3 диссертации рассматривается возможность восстановления этих нагрузок с помощью небольшого перепада газового давления и электрического поля. Это предусматривалось соответствующей конструкцией зеркала. Давление газа, в данном случае, применялось для моделирования увеличения требуемого усилия, которое могло бы создаваться с помощью электростатического давления, но в условиях отличных от атмосферных.

Таким образом, в рабочее положение тонкопленочное зеркало с предварительной формой приводилось последовательно: сначала создавался небольшой перепад давления газа, чтобы зеркало приобрело некую рабочую форму, а затем варьируя распределением потенциала между электродом и пленкой, изменяли эту форму. Световой диаметр зеркала составлял 190 мм, а его радиус кривизны был равен 400 мм.

В третьей главе экспериментально исследуются способы коррекции поверхности вогнутого тонкопленочного зеркала, с целью улучшения его оптического качества.

Получаемая при формировании форма поверхности реального вогнутого пленочного зеркала далека от параболической. Причины этого могут быть вызваны следующими факторами: погрешностями закрепления пленки по контуру; вариациями толщины материала пленки; неравномерностью растяжения пленки и т.п. Применение центрального толкателя, расположенного по центру зеркала, который перемещает центральную часть пленки, как показано в работе [II], позволяет приблизить её форму поверхности к параболической в значительной зоне апертуры, за исключением центральной зоны, куда прикладывается усилие толкателя (рис.3). Это приводит к ухудшению центральной области. Но она занимает совсем небольшую часть зеркала. Причем, в телескопических системах с компенсацией искажений, эта часть зоны главного зеркала практически не используется. Поэтому эти искажения можно считать «неопасными». Подтверждение этого метода дано в эксперименте с вогнутым пленочным зеркалом световым диаметром 250 мм и фокусным расстоянием 1500 мм. Для этого была собрана схема интерферометра с опорным волновым фронтом, и показано, что картина интерференции видоизменяется, при действии центрального толкателя, в сторону улучшения оптического качества зеркала. Это видно, потому что интерференционные полосы становятся шире, т.е. кривизна волнового фронта отраженного от поверхности пленочного зеркала приближается к кривизне опорного волнового фронта, и следовательно искажения в этой зоне уменьшаются.

первоначальная форма пленки

новая форма пленки

толкатель

ленки 11

1 У

Рис. 3. Форма поверхности пленки, получаемая при действии толкателя (штрих-пунктирная линия).

Другим способом для коррекции крупномасштабных искажений, является использование бесконтактного воздействия на пленку. В этом случае, не вносятся дополнительные искажения в центральную часть зеркала, которые возникают при использовании толкателя. Этого можно добиться с помощью тепловой коррекции, когда рабочая поверхность зеркала освещается специально сформированным пучком корректирующего света. Такой эксперимент проводился при использовании того же пленочного зеркала, что и в предыдущем случае. Но поскольку его поверхность имеет низкое оптическое качество, то для joro чтобы показать ощутимый эффект от применения термокоррекции, большая часть зеркала диафрагмировалась и в эксперименте использовалась небольшая центральная область зеркала диаметром 60 мм, которая в интерферометре дает крупные интерференционные полосы. В качестве источника корректирующего излучения, под действием которого происходила термодеформация поверхности исследуемого пленочного зеркала, использовалась лампа накаливания мощностью 11,5 Вт. Из этого излучения вырезалась узкая полоска (шириной 1 см) белого света с суммарной мощностью 5 Вт. Пучок такого вида освещал корректируемое тонкопленочное зеркало. При этом форма его поверхности менялась в месте освещения за единицы секунд. На рис. 4а видно, что до процесса термокоррекции оптические искажения поверхности исследуемого пленочного зеркала имеют форму седла (астигматизм). При освещении этой поверхности заданным распределением интенсивности белого света (шгрих-пупктирная линия на рис.4), имевший место локальный астигматизм значительно компенсировался, и поверхность пленки в данной области принимала форму близкую к сферической, что демонстрирует рисунок 4Ь.

Расшифровка интерферограмм показала, что компенсация астигматизма при такой термокоррекции составляет 2.75 раза.

В последнем разделе третьей главы описываются экспериментальные исследования возможности управления формой рабочей поверхности тонкопленочного зеркала с преформой при помощи сил электростатического притяжения пленки к электроду. Для этого был создан макет такого зеркала, описание конструкции которого дается в разделе 2.5.2 диссертации. В экспериментах применялся сплошной круглый плоский электрод и сегментированный плоский четырехквадрантный. С помощью интерферометра

регистрировались две картины интерференции, получаемые от поверхности исследуемого тонкопленочного зеркала: одна — при наличии заряда на электроде, а другая — при его отсутствии. Степень влияния электростатического притяжения на форму поверхности зеркала оценивалась как разность волновых фронтов, зарегистрированных на интерферограммах. Обработка полученных данных была проведена широко используемым в голографической

Рис. 4. Интерферограммы пленочного зеркала диаметром 60 мм. а — в отсутствии термокоррекции, Ь — с термокоррекцией.

интерферометрии методом двух экспозиций. В этом случае интерферограммы с высокой точностью совмещались, и наблюдалась муаровая картина, соответствующая интерферограмме разностного сигнала. Изначально, тонкопленочное зеркало с предварительной формой имело искажения поверхности в виде астигматизма и сферической аберрации. При воздействии на вогнутую пленку электростатического притяжения к плоскому сплошному электроду, наводилась дополнительная сфера со стрелкой прогиба 3.1 мкм. Это следует из разностной интерферограммы которая представляет собой совокупность круглых концентрических колец. Следовательно, наблюдается изменение общей кривизны зеркальной поверхности.

Использование же сегментированного электрода дает возможность наблюдать выборочное воздействие на пленку зеркала. Рис. 5 наглядно демонстрирует эту возможность. Видно, что в соответствии с полярностью напряжения изменяется и характер воздействия на пленку электростатического притяжения. Выделенное направление искажения (типа растянутой сферы) близко к биссектрисе секторов имеющих положительную полярность и, следовательно, притягивающих пленку (корпус зеркала и пленка соединены с минусом источника питания).

Таким образом, данный способ позволяет плавно управлять формой поверхности вогнутого тонкопленочного зеркала. Причем электроды могут

иметь весьма сложные конфигурации. Все зависит от того, какое воздействие и в какой области надо оказывать на поверхность.

Рис 5. Интерферограмма разности волновых фронтов, и конфихурация секций электрода, (для наглядности муаровые полосы выделены).

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспериментов по коррекции искажений поверхности вогнутого тонкопленочного главного зеркала телескопа методами динамической голографии. Зеркало вводилось в экспериментальную схему макета наблюдательного телескопа с голографи-ческим корректором. Как уже упоминалось ранее, такие эксперименты проводились и американскими учеными [III]. Однако в наших экспериментах коррекция проведена при использовании тоикопленочного зеркала с большим световым диаметром, который составлял 220 мм (световой диаметр зеркала в их экспериментах равнялся 150 мм), при наблюдении модельных точечного и протяженного объектов. Кроме этого коррекция проводилась в разных областях видимого спектра (в зеленой и красной области).

Непосредственно перед установкой пленочного зеркала в оптическую схему оно настраивалось с учетом некоторых особенностей схемы коррекции. Так, например радиус кривизны его поверхности подбирался равным 3000 мм, и уже с учетом этого проводилась полная настройка с тем, чтобы в центре кривизны зеркала формировалось пягао света, испускаемого точечным источником, минимального размера. Обычно этот размер составлял 2.5-3 мм. При этом примерно 50 % всей мощности излучения, отраженного зеркалом, сосредотачивалось в пятне, размер которого примерно в 60 раз превышал дифракционный предел. После настройки зеркало устанавливалось в оптическую схему коррекции, и в дальнейшем, лишь в очень небольших пределах подстраивался его радиус кривизны по виду пятна в центре кривизны зеркала.

На рис. 6а,Ь проиллюстрированы соответственно изображения протяженного объекта (миры), освещенного лазерным светом, построенного пленочным зеркалом, когда коррекция отсутствует и в присутствии коррекции. Видно, что изображение объекта в виде миры при отсутствии компенсации представляет собой равномерно засвеченное поле зрения. В скорректированном изображении разрешены штрихи, период которых в 3 раза превышает дифракционный предел.

Рис. 6. Изображения протяженного объекта (миры) без коррекции (а) и с коррекцией (Ь) искажений.

Таким образом, несмотря на то, что не было получено идеального изображения объекта после проведенной коррекции его искажений, которые вносились некачественным тонкопленочным зеркалом, в данных экспериментах была продемонстрирована высокая степень компенсации. Результаты экспериментов показали перспективность применения метода голографической коррекции искажений изображения в телескопической системе с тонкопленочным главным зеркалом.

В заключении сформулированы следующие основные выводы, полученные в диссертационной работе:

1. В работе сделан обзор публикаций по созданию тонкопленочных зеркал с переменным радиусом кривизны. Проанализированы их достоинства и недостатки в различных областях применения. Результаты анализа показали, что качество таких зеркал не позволяет обеспечить высокое разрешение систем, работающих в видимом диапазоне, если дополнительно не используется система коррекции искажений.

2. Создан и исследован макет. тонкопленочного зеркала со световым диаметром 0=250 мм и относительным отверстием О/Т1 - 1:6, сформированный из тонкой лавсановой пленки толщиной 20 мкм. Показано, что такое зеркало обладает оптическим качеством, при котором 50 % энергии отраженной от его

поверхности сосредоточено в телесном угле, размер которого составляет 50 дифракционных углов (ßa.s = 50 Одиф). Такое качество приемлемо для того, чтобы использовать зеркало совместно с системой коррекции.

3. Показана возможность создания зеркал с большой светосилой при использовании пленок с требуемой предварительной формой. Изготовлен макет светосильного тонкопленочного зеркала диаметром 190 мм и фокусным расстоянием 400 мм с электростатическим управлением его формой. Продемонстрировано, что небольшое усилие электростатического притяжения пленки к сегментированному электроду позволяет локально воздействовать на ее форму.

4. Продемонстрировано, что крупномасштабные искажения рабочей поверхности реального тонкопленочного зеркала могут быть уменьшены путем использования толкателя, который воздействует на пленку вдоль оси зеркала и на 15-30 % улучшает качество зеркала в периферийной части.

5. Экспериментально продемонстрировано уменьшение астигматизма в 2.75 раза с помощью термостатической коррекции. Показано, что в области нагрева пленка приобретает форму близкую к сферической.

6. Получена интерферограмма рабочей поверхности изготовленных тонкопленочных зеркал. Это свидетельствует о том, что искажения этих зеркал могут быть записаны в нелинейной среде используемой в системе коррекции, и в дальнейшем быть скорректированными.

7. Показано, что применение тонкопленочного зеркала в системе с топографической коррекцией искажений, позволяет наблюдать не только точечные, но и протяженные объекты. Получено, что в случае протяженного объекта в скорректированном изображении были разрешены штрихи миры с периодом 3 дифракционных предела, в то же время нескорректированное изображение было искажено до неузнаваемости и составляло 100 дифракционных пределов.

8. В целом результаты проведенных экспериментов показали перспективность выбранного направления.

Основные публикации по теме работы:

1. Богданов М.П., Горланов A.B., Димаков С.А., Жук Д.И., Климентьсв С.И., Орлова И.Б., Свенцицкая H.A., Шерстобитов В.Е. Компенсация искажений главного зеркала телескопа при помощи динамической объемной голограммы I. И Оптика и спектроскопия, 1999, том 87, № 3.- с. 520-525.

2. Богданов М.П., Горланов A.B., Димаков С.А., Жук Д.И., Климентьев С.И., Орлова И.Б., Свенцицкая H.A., Шерстобитов В.Е. Компенсация искажений главного зеркала телескопа при помощи динамической объемной голограммы И. // Оптика и спектроскопия, 1999, том 87, № 5,- с. 865-873.

3. Dimakov S.A., Bogdanov М.Р., Gorlanov A.V., Kislitsyn B.V., Kliment'ev S.I., Orlova I.B., Sventsitskaya N.A., Zhuk D.I. Features of application of elastic

membrane primaries in observing telescopes with non-linear optical correction of images. II Proc. SPIE, 1999, vol. 3760,- p. 195-206.

4. Жук Д.И. Влияние ошибки совмещения изображений главного зеркала телескопа в голограмме-корректоре на степень компенсации оптических искажений. // Тезисы докладов международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика — 99", С-Пб., 19-21 октября, 1999,- с. 185.

5. Dimakov S.A., Bogdanov М.Р., Gorlanov A.V., Kislitsyn B.V., Zhuk D.I. Control of membrane mirror profile by electrostatic field. // Proc. SPIE, 2000, vol. 4091,-p. 137-143.

6. Dimakov S.A., Bogdanov M.P., Gorlanov A.V., Kislitsyn B.V., Kliment'ev S.I., Zhuk D.I. Electrically controlled preshaped membrane mirror for systems with wavefront correction. // Proc. SPIE, 2003, vol. 5162,- p. 147-156.

7. Dimakov S.A., Kliment'ev S.I., Zhuk D.I. Real-time holographic correction of image of a moving object observed by a telescope with a membrane primary mirror. // Proc. SPIE, 2005, vol. 5894,- p. 401-409.

Цитируемая литература:

I. Мюрхед Дж.К. Зеркала с переменным фокусным расстоянием. //Приборы для научных исследований, 1961, том 32, № 2.- с. 106.

II. Wilkes J.M., Jenkins С.Н., Marker D.K., Carreras R.A., Duneman D.C., Rotge J.R. Concave membrane mirrors from aspheric to near-parabolic. // Proc. SPIE, 1999, vol. 3760,-p. 213-223.

III. Gruneisen M.T., Wolkes J.M. Compensated imaging by real-time holography with optically adressed spatial light modulators. // In Spatial Light Modulators, OSA TOPS, 1997, vol. 14,-p. 220-226.

IV. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V. Analysis of the elasticity theory equations aiming to clear up main relationships of the parameters in the thin-flexible-mirror task. // Proc. SPIE, 1999, vol. 3610, p. 128-138.

V. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V. Factors disturbing a preshaped membrane mirror. // Proc. SPIE, 2000, vol. 4091,-p. 144-151.

Подписано в печать 21.04.2006 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 80 экз. Заказ № 310.

Отпечатано в ООО «Издательство "J1EMA"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Жук, Дмитрий Иванович

Введение.

Защищаемые положения.

Глава 1. Современные подходы к изготовлению крупногабаритных зеркал с уменьшенной массой.

1.1. Композитные зеркала.

1.2. Фокусирующие тонкопленочные зеркала.

1.3. Требуемое оптическое качество в задачах концентрации солнечных лучей и в задачах создания телескопов.

1.4. Демонстрационные эксперименты по компенсации искажений в телескопических системах методами динамической голографии.

Глава 2. Изготовление и экспериментальное исследование тонкопленочных зеркал.".

2.1. Тонкопленочные зеркала на основе плоских пленок.

2.2. Конструкция макета тонкопленочного зеркала.

2.2.1. Полимерные пленки пригодные для изготовления тонкопленочного зеркала.

2.2.2. Технологические этапы изготовления тонкопленочного зеркала.

2.2.3. Описание установки для исследования характеристик тонкопленочного зеркала.

2.2.4. Методика настройки макета тонкопленочного зеркала.

2.2.5. Исследование качества рабочей поверхности макета тонкопленочного зеркала.

2.3. Проблема создания светосильных тонкопленочных зеркал.

2.4. Тонкопленочное зеркало с электростатическим притяжением пленки к электроду.

2.5. Создание тонкопленочного зеркала с предварительной формой поверхности.

2.5.1. Основные этапы и особенности изготовления тонкопленочного зеркала с предварительной формой.

2.5.2. Описание конструкции лабораторного макета тонкопленочного зеркала с предварительно сформированной поверхностью.

2.5.3. Исследование оптического качества тонкопленочного зеркала с предварительной формой и

N электростатическим управлением.

Глава 3. Исследование методов улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала.

3.1. Исследование метода улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала при использовании центрального толкателя.:.

3.2. Исследование возможности применения теплового нагрева в задаче улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала.

3.3. Исследование возможности электростатического управления формой рабочей поверхности тонкопленочного

1 зеркала с предварительным профилем.

Глава 4. Голографическая коррекция изображения в макете наблюдательного телескопа с тонкопленочным главным зеркалом.

4.1. Описание оптической схемы экспериментальной наблюдательной телескопической системы.

4.2. Результаты исследования голографической коррекции искажений тонкопленочного зеркала.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование тонкопленочного зеркала в задачах создания телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения"

Актуальность темы диссертационного исследования

Современное развитие астрономических систем, предназначенных для наблюдения космических объектов, направлено на создание высокоразрешающих телескопов, диаметр главного зеркала которых может достигать десятка метров. Основным требованием, предъявляемым к подобным устройствам, является близкое к дифракционному пределу разрешение, определяемое прежде всего размером и качеством главного зеркала. Стремление увеличивать диаметр главного зеркала приводит разработчиков к совершенствованию его конструкции и технологии изготовления [1]. Это объясняется тем, что при традиционном подходе, когда главное зеркало телескопа делается монолитным, его масса существенно возрастает при увеличении диаметра, а вместе с тем возрастает и стоимость телескопа. Поэтому, наряду с традиционным подходом к изготовлению главных крупногабаритных зеркал телескопов, развиваются альтернативные пути создания легких главных зеркал.

Отступление от стандартной технологии изготовления главного зеркала влечет за собой ухудшение оптического качества его рабочей поверхности. Таким образом, возникает противоречие, что с одной стороны необходимо уменьшать массу главного зеркала, а с другой стороны требуется, чтобы его оптическое качество оставалось высоким.

В последние годы развивается направление исследований - создание зеркал с уменьшенной массой и невысоким оптическим качеством. Получение высококачественного изображения в телескопе с таким главным зеркалом возможно только при использовании системы коррекции волнового фронта. Этот подход получил право на существование в результате развития методов нелинейно-оптической коррекции искажений световых пучков, таких как ОВФ [2,3] и динамическая голография [4,5,6]. В этих работах было показано, что эффективная коррекция искажений изображения при наблюдении точечного объекта возможна даже в том случае, когда зеркало с плохим качеством своей рабочей поверхности формирует его изображение с размерами, в десятки раз превосходящими дифракционный размер изображения этого объекта. В работах [7,8] была произведена оценка экономической эффективности данного подхода в космическом телескопе с коррекцией искажений главного зеркала методом динамической голографии. Цена такого телескопа с главным зеркалом большого диаметра может быть существенно ниже по сравнению с классическими телескопами соответствующего класса.

Достоинством телескопов с динамической коррекцией искажений является существенное снижение требований, предъявляемых к оптическому качеству главного зеркала при его изготовлении. Таким образом, поиск нетрадиционных подходов, направленных на уменьшение массы и стоимости главного зеркала телескопа, даже таких которые могут давать невысокое его V i. оптическое качество, представляется актуальной задачей.

Одной из важнейших характеристик зеркала является отношение его массы к площади рабочей поверхности. Этот параметр называется i А поверхностной плотностью (размерность [кг/м ]). Зеркала с величиной л поверхностной плотности менее 30 кг/м называются облегченными зеркалами.

Среди направлений в создании облегченных зеркал большого (1м и более) диаметра выделяется технология составных конструкций, состоящих из большого числа высококачественных зеркальных элементов малого размера (см. например, работу [9]). Уменьшение массы таких зеркал достигается выбором, как соответствующих материалов, так и облегченных поддерживающих их конструкций [10]. Форма рабочей поверхности такого зеркала регулируется при помощи специальных приводов, определенным образом установленных с тыльной стороны зеркальных сегментов [11-13].

Другая технология, в разработке зеркал большого диаметра с уменьшенной массой основана на использовании тонкой эластичной пленки натянутой на поддерживающую опору [14,15]. Это так называемые мембранные зеркала [16]. По сути, это не совсем традиционное определение мембраны, поскольку здесь мы имеем дело не с тонкой пластинкой, обладающей определенной жесткостью, а с гибкой пленкой, обладающей определенной упругостью только под действием внешних сил, приводящих ее в состояние натяжения [17]. На рис. 1 приведена схематическая конструкция такого мембранного (пленочного) зеркала. Рабочая вогнутая поверхность зеркала может создаваться, например, при помощи давления газа на пленку.

Первоначально перспектива использования пленочных зеркал в наблюдательных телескопах не рассматривалась, поскольку их оптическое качество было заведомо плохим, и требовалась дополнительная коррекция искажений его рабочей поверхности. Но эта техника еще не была разработана. Традиционно пленочные отражатели использовались только ' там, где их высокого качества не требовалось, например, в гелиотехнике при сооружении концентраторов солнечной энергии [18] или в системах связи г [19].

Рис. 1. Принцип реализации мембранного (тонкопленочного) зеркала.

В работе [14] была сделана попытка исследовать оптическое качество пленочного зеркала при различных значениях фокусного расстояния. Было установлено, что для зеркала с фокусным расстоянием 42 м размер фокального пятна, представляющего изображение бесконечно удаленного точечного объекта в 1.5 раза превосходил размер соответствующего изображения при использовании высококачественного эталонного зеркала. А в случае пленочного зеркала с фокусным расстоянием 9 м размер фокального пятна увеличивался в 6 раз. Это свидетельствовало об увеличении деформаций рабочей поверхности пленочного зеркала, по-видимому, связанном с увеличением неравномерности натяжения пленки при уменьшении фокусного расстояния. Однако никаких более детальных измерений для определения оптического качества зеркала не было сделано.

Теоретические исследования тонкопленочных зеркал, проведенные в работах [20,21] показали, что форма поверхности зеркала приближается к параболической при увеличении начального растяжения пленки в радиальных направлениях. Однако форма поверхности мембранных зеркал, " реализованных в экспериментах описанных в работах [22,23], оказалась далека от предсказанной теоретически. Причины нежелательных деформаций рабочей поверхности тонкопленочного зеркала заключены как в способе крепления и натяжения пленки в его конструкции, так и в технологии изготовления самой пленки, приводящей к неоднородности ее физико-химических свойств. В этих работах осталась нерешенной задача по улучшению качества рабочей поверхности пленочных зеркал.

Таким образом, наряду с несомненными достоинствами тонкопленочных зеркал, такими как малая масса их рабочей поверхности, реализация больших размеров, создание оптических элементов с переменным фокусным расстоянием, необходимо отметить, что такого рода зеркала обладают оптическим качеством в сотни раз хуже качества зеркал обеспечиваемого классическими оптическими технологиями. Поэтому, для доведения качества рабочей поверхности тонкопленочных зеркал до приемлемого уровня с тем чтобы их можно было использовать совместно с системами нелинейно-оптической коррекции изображения необходимо проведение целого ряда исследований, направленных на разработку их конструкций, позволяющих сформировать рабочую поверхность зеркала с минимальными искажениями. Кроме того, необходимо исследовать характер и величину остаточных деформаций поверхности зеркала, которые не могут быть скомпенсированы с применением механики. Анализ поставленных в предыдущих исследованиях выводов показывает, что в такой постановке научная задача еще не рассматривалась. Это определило выбор темы диссертационной работы. Недостаточное проведение экспериментальных исследований в этом направлении определили выбор цели, задач и содержания исследования.

Целью работы является:

Исследование макета тонкопленочного зеркала с неидеальным оптическим качеством, но таким, что позволяет использовать зеркало в -задачах построения телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

• разработка методики создания и настройки фокусирующего тонкопленочного зеркала формируемого из плоской пленки;

• реализация тонкопленочного зеркала с предварительной формой его рабочей поверхности;

• экспериментальное исследование методов позволяющих улучшить качество рабочей поверхности тонкопленочного зеркала;

• экспериментальное исследование макета тонкопленочного зеркала в системе компенсации оптических искажений методами динамической голографии.

Объектом исследования являются технологии по созданию крупногабаритных зеркал с уменьшенной массой.

Предмет исследования - тонкопленочные зеркала с неидеальным оптическим качеством их поверхности.

Методологической основой исследования послужили теоретические и экспериментальные научные выводы, сформулированные в исследованиях отечественных и зарубежных ученых. При решении поставленных задач по исследованию тонкопленочных зеркал использовались . методы эмпирического исследования, специальные методы характерные для оптических исследований, такие как интерференционный метод, метод двух экспозиций, метод калиброванных диафрагм.

Научное значение диссертационной работы состоит, прежде всего, в экспериментальном проведении исследований, направленных на изучение и, улучшение оптического качества рабочей поверхности тонкопленочных зеркал предназначенных для систем коррекции искажений. г*

Основная часть диссертационной работы состоит из четырех глав.

В первой главе диссертации проведен обзор литературы, где:> рассматриваются подходы и технологии по изготовлению оптических элементов с уменьшенной массой. Основное внимание уделяется элементам на основе тонкой эластичной пленки и последующей коррекции их искажений.

Во второй главе описана методика создания и настройки фокусирующего тонкопленочного зеркала из плоской пленки. Рассмотрен макет такого зеркала диаметром 300 мм. Выполнены измерения качества его рабочей поверхности и проведено сравнение экспериментальных данных и теоретических расчетов.

В этой же главе рассматривается задача формирования светосильного тонкопленочного зеркала с относительным отверстием D/F-1, где D диаметр зеркала, F - фокусное расстояние зеркала, на основе пленки с предварительной формой поверхности. В этой части диссертации описывается лабораторный макет зеркала со световым диаметром 190 мм.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию способов, позволяющих проводить корректировку рабочей поверхности пленочного зеркала с целью улучшения её оптического качества. Среди таких способов рассматривается применение центрального толкателя, термостатического нагрева, электростатического управления.

В последней главе уделяется внимание вопросу применения пленочного зеркала в телескопической системе с нелинейно-оптической коррекцией искажений. Эти эксперименты являются логическим завершением цикла исследований тонкопленочных зеркал.

Защищаемые положения:

1. Предложено и реализовано техническое решение создания и настройки тонкопленочных зеркал, предназначенных для телескопов с голографической коррекцией изображения, обладающих переменным-фокусным расстоянием, изменяющимся в диапазоне F = (-оо,-1.5м] U [1.5м,+оо) и оптическим качеством, при котором 50% энергии, отраженной от его рабочей поверхности, сосредоточено в телесном угле, размер которого составляет 50 дифракционных углов.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы к главе 4:

- Выполнены экспериментальные исследования по голографической коррекции искажений изображения, вызванных тонкопленочным главным зеркалом световым диаметром D=250 мм с радиусом кривизны R=3 м.

- Показана эффективная коррекция при наблюдении модельных точечных и протяженных объектов в красной области спектра. При этом в силу определенных причин полной коррекции не достигнуто.

- Результаты экспериментов показали перспективность применения метода голографической коррекции искажений изображения в телескопической системе с тонкопленочным главным зеркалом.

- Анализ исследования показал, что необходимо взаимоувязывать искажения поверхности тонкопленочного зеркала и возможности реальной системы коррекции.

Заключение

Диссертационная работа посвящена исследованию зеркал с уменьшенной массой на основе тонких металлизированных пленок, предназначенных для работы в качестве главного зеркала наблюдательного телескопа с нелинейно-оптической коррекцией изображения.

2. Создан и исследован макет тонкопленочного зеркала со световым диаметром D = 250 мм и относительным отверстием D/F - 1:6, сформированный из тонкой лавсановой пленки толщиной 20 мкм. Показано, что такое зеркало обладает оптическим качеством, при котором 50 % энергии отраженной от его поверхности сосредоточено в телесном угле, размер которого составляет 50 дифракционных углов (0о.5 = 50 6даф). Такое качество приемлемо для того, чтобы использовать зеркало совместно с системой коррекции.

7. Показано, что применение тонкопленочного зеркала в системе с голографической коррекцией искажений, позволяет наблюдать не только точечные, но и протяженные объекты. Получено, что в случае протяженного объекта в скорректированном изображении были разрешены штрихи миры с периодом 3 дифракционных предела, в то же время нескорректированное изображение было искажено до неузнаваемости и составляло 100 дифракционных пределов.

8. В целом результаты проведенных экспериментов показали перспективность выбранного направления.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Жук, Дмитрий Иванович, Санкт-Петербург

1. Satter C.M., Lou M.C. Structural design of the large deployable reflector.-Proc. SP1., 1991, vol. 1494.- p. 279-300.

2. Лещев A.A., Семенов П.М., Сидорович В.Г., Солодянкин О.В., Васильев М.В., Венедиктов В.Ю. Светосильная телескопическая лазерная система с ОВФ-коррекцией составного главного зеркала Квантовая электроника, 1991, том 18, №12.-с. 1405-1406.

3. Андреев Р.Б., Волосов В.Д., Иртуганов В.М., Калинин В.П., Кононов В.В., Шерстобитов В.Е. ОВФ-коррекция искажений в формирующем телескопе с дифракционным оптическим элементом Квантовая электроника, 1991, том 18, №6.-с. 762-765.

4. Димаков С.А., Климентьев С.И., Свенцицкая Н.А., Шерстобитов В.Е. Компенсация искажений оптических элементов методами динамической голографии в "белом свете".- Оптика и спектроскопия, 1996, том 80, № 4,- с. 699-704.

5. Gruneisen М.Т., Wolkes J.M. Compensated imaging by real- time holography with optically adressed spatial light modulators In Spatial Light Modulators, OSA TOPS, 1997, vol. 14.-p. 220-226.

6. Andersen G.A., White W.R., Kneeze R.J. Large holographically corrected space telescope.-Proc. SPIE, 1998, vol. 3432-p. 129-136.

7. Andersen G.A., Knize R.J. Holographically corrected telescope with temporal update Proc. SPIE, 2000, vol. 4013.- p. 587-594.

8. Sychev V.V., Belkin N.D., Deulin E.A. The problems of the 25-m class super-telescope designing Proc. SPIE, 2000, vol. 4004- p. 330-339.

9. Romeo R.C., Chen P.C. Ultra-lightweight composite replica mirror technology- Proc. for "Ultra-Lightweight Space Optics Challenge Workshop".- on web site: http://origins.jpl.nasa.gov/meetings/ulsoc/, Napa, CA, March 24-25,1999.

10. Burge J.H., Angel J.R.P., Guerden В., Woolf N.J. Glass membrane mirrors beyond NGST- Proc. for "Ultra Lihtweight Space Optical Callenge Workshop".- on web site: http://origins.jpl.nasa.gov/meetings/ulsoc/, Napa, CA, March 24-25,1999.

11. Burge J.H., Angel J.R.P., Guerden B. Active mirror technology for large space telescope.- Proc. SPIE, 2000, vol. 4013 p. 640-648.

12. Гроссо P., Еллин M. Мембранное зеркало как элемент адаптивной оптической системы- Сб. статей "Адаптивная оптика" / под ред. Витриченко Э.А. М.: Мир, 1980. - с. 429-447.

13. Воляк Т.Б., Красюк И.К., Пашинин П.П. Элементы адаптивной оптики на основе полимерных металлизированных пленок.- Труды ИОФАН, 1987, том 7 —с. 3-31.

14. Muirhead J.C. Variable focal length mirrors Rev Sci. and Instrum., 1961, vol. 32, No. 2 - p. 210-211. Рус. пер.: Мюрхед Дж.К. Зеркала с переменным фокусным расстоянием- Приборы для научных исследований 1961, том 32, №2.-с 106.

15. Rotge J.R., Dass S.C., Marker D.K., Carreras R.A., Lutz В., Duneman D.C. Progress toward large-aperture membrane mirrors- Proc. SPIE, 2000, vol. 4091.-p. 74-82.

16. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров А.М.-4-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 1999 - 944 с.

17. Умаров Г.Я., Алавутдинов Дж.Н, Алимов А.К., Музапаров X., Кузнецов Е.П. Пленочные легкие концентраторы солнечной энергии-Гелиотехника, 1970, № 1 с. 40-42.

18. Basart J.P., Mandayam S.A., Burns J.O. An inflatable antenna for space-based low-frequency radio astronomy Proc. Space 94,1994, vol. 2-p. 1390-1399.

19. Димаков C.A., Кислицын Б.В. Математическая модель тонкопленочного зеркала с изменяемой кривизной- Оптический журнал, 2000, том 67, № 3.- с. 30-36.

20. Marker D.K., Jenkins С.Н. Surface precision of optical membranes with curvature Opt. Express, 1997, vol. 1, No. 11.- p. 324-331.

21. Marker D.K., Carreras R.A., Wilkes J.M., Duneman D. Optical evaluation of membrane mirrors with curvature Proc. SPIE, 1998, vol. 3430 - p. 202-208.

22. Wilkes J.M., Jenkins C.H., Marker D.K., Carreras R.A., Duneman D.C., Rotge J.R. Concave membrane mirrors from aspheric to near-parabolic Proc. SPIE,1999, vol. 3760,-p. 213-223.

23. Burge J.H., Sabatke E., Angel J.R.P., Woolf N.J. Optical design of Giant Telescope for space.- Proc. SPIE, 2000, vol. 4092 p.82-92.

24. Daniel R.C. Technology development for the NGST: an overview-Proc. SPIE, 1998, vol. 3356,-p.106-113.

25. John Mather, H.S. Stockman Next Generation Space Telescope Proc. SPEE,2000, vol. 4013.-p.2-16.

26. James W.B. Advanced lightweight optics development for space applications.-Proc. AIP Conf., 1998, vol. 420.- p. 185-187.

27. Mayo J.W., DeHainaut L.L., Bell K.D., Smith W.S., Killpatrick D.H., Dyer R.W. Ultra-lightweight optics for space applications- Proc. SPIE, 2000, vol. 4013.-p. 687-698.

28. Kasl E., Crowl D. A critical review of ultra-light composite mirror technology-Proc. AIP Conf., 1998, vol. 420.-p.l73-178.

29. Mehle G.V., Dodson K.J., Ruch E. Recent development of hybrid mirror technology for the Next Generation Space Telescope- Proc. SPIE, 2000, vol. 4013,-p. 935-941.

30. Deyerler M., Pailer N., Wagner R., Mueller C.E. Ultra-lightweight mirrors: recent developments of C/SiC.- Proc. SPIE, 2000, vol. 4003,- p. 73-79.

31. Seriy B.D., Smith E.P. NASA NGST visiting a time when galaxies were young.- Proc. SPIE, 1998, vol. 3356.- p. 2-12.

32. Graue R., Kampf D. Ultra-lightweight galvanic mirrors Proc. SPIE, 1998, vol. 3352.-p. 151-157.

33. Romeo R.C., Meinel A.B., Meinel M.P. Ultra-lightweight and hyper-thin rollable primary mirror for space telescopes Proc. SPIE, 2000, vol. 4013-p. 634-639.

34. Wooldridge E., Powers C. Evaluation of thin films for the NGST sunshield-Proc. SPIE, 1998, vol. 3356.- p. 134-140.

35. Palisoc A., Veal G., Cassapakis C., Greschik G., Mikulas M. Geometry attained by pressurized membranes.-Proc. SPIE, 1998, vol. 3356-p. 747-757.

36. Воляк Т.Б., Зарослов Д.Ю., Ковалев И.О., Красюк И.К., Кузьмин Г.П., Пашинин П.П. Пленочное металлизированное зеркало с переменным радиусом кривизны в импульсном С02 лазере Письма в ЖТФ, 1980, том 7, №1 с. 48-50.

37. Shimizu Н., Sugimoto N., Iikura Y., Ultra-lightweight receiving telescope for lidar measurements from the space Shuttle Conf. CLEO, Baltimore, May, 1985, Digest Techn. Pap.- p. 264-265.

38. Черный И. Пленочные концентраторы.- Новости космонавтики, 2000, том 10, № 11 (214).-с. 51.

39. Thomas М. Flight experiment for large inflatable parabolic reflector-Presented at the ASME International Solar Energy Conference, Washington, DC, Apr. 4-9, 1993.- p. 361-368.

40. Bernasconi M.C. Development of a 2.8m offset antenna reflector using inflatable, space-rigidised structures technology- Presented at the 2nd Workshop on Mechanical Technology for Antennas, ESTEC, May 20-22, 1986; also: ESASP-261.-p. 31-39.

41. O'Conner L. Simple toy leads to advanced satellite antenna Mech. Eng., 1993, No. 6.-p. 130.

42. Rogers C.A., Stutzman W.L., Campbell T.G., Hedgepeth J.M. Technology assessment and development of large deployable antennas J. Aerospace Eng., 1993, vol. 6, No. l.-p. 34-54.

43. Cadogan D., Grahne M., Mikulas M. Inflatable space structures: a new paradigm for space structure design Proc. 49th International Astronautical Congress, Melbourne, Australia, Sept. 28 - Oct. 2,1998,- IAF-98-I.1.02.

44. Семенов Ю.П. Новые Российские технологии в ракетно-космической технике последних лет.- Вестник Российской Академии наук, 2000, том 70, № 8.- с. 696-709.

45. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V. Analysis of the elasticity theory equations aiming to clear up main relationships of the parameters in the thin-flexible-mirror task.-Proc. SPEE, 1999, vol. 3610.-p. 128-138.

46. Jenkins C.H., Leonard J.W. Nonlinear dynamic response of membranes: state of the art-Appl. Mech. Rev., 1991, vol. 44.-p. 319-328.

47. Jenkins C.H. Nonlinear dynamic response of membranes: state of the art-update.- Appl. Mech. Rev., 1996, vol. 49, No. 10, part 2 p. 41-48.

48. Singhal R.K., Gorman D.J., Crawford J.M., Graham W.B. Investigation of the free vibration of a rectangular membrane- AIAA J., 1994, vol. 32.-p. 2456-2461.

49. Nagaya S. Dynamic response of a membrane with both curved and straight line boundaries-J. Appl. Mech., 1979, vol. 46-p. 667-671.

50. Waddell P., Stickland M., Mason S., McKay S., Mair L.S. Interferometric examination of the vibration modes on stretchable plastic membrane imaging mirrors.-Proc. SPIE, 1996, vol. 2951.-p. 101-109.

51. Carreras R.A., Marker D.K., Wilkes J.M. Tunable membrane mirrors used with real time holography Proc. SPIE, 1998, vol. 3432.- p. 120-128.

52. Marker D.K., Rotge J.R., Carreras R.A. Summary: optical membrane workshop Proc. SPIE, 1999, vol. 3760 - p. 192-194.

53. Rotge J.R., Marker D.K., Carreras R.A., Wilkes J.M., Duneman D.C. Large optically flat membrane mirror Proc. SPIE, 1999, vol. 3760 - p. 207-212.

54. Carreras R.A., Marker D.K., Rotge J.R., Wilkes J.M., Duneman D.C. Deployable near-net shape membrane optics Proc. SPIE, 1999, vol. 3760-p. 232-238.

55. Marker D.K., Rotge J.R., Carreras R.A., Duneman D.C., Wilkes J.M. Minimum strain requirements for optical membranes- Proc. SPIE, 1999, vol. 3760.-p. 224-231.

56. Breckinridge J.B., Meinel A.B., Meinel M.P. Inflation-deployable camera and hyper-thin miirors.-Proc. SPIE, 1998, vol. 3356,-p. 280-287.

57. Burge J.H., Angel J.R.P., Hege E, Kenworthy M., Woolf N. Streched membrane with electrostatic curvature (SMEC). A new technology for ultra-lightweight space telescopes Proc. SPIE, 2000, vol. 4013,- p. 699-705.

58. Breckinridge J.B., Meinel A.B., Meinel M.P. Inflatable membrane mirrors for optical passband imagery- Proc. for "Ultra-Lightweight Space Optics Challenge Workshop".- on web site: http://origins.jpl.nasa.gov/meetings/ulsoc/, Napa, CA, March 24-25, 1999.

59. Upatnieks J., Van der Lugt A., Leith E. Correction of lens aberration by means of holograms-Appl. Opt., 1966, vol. 5, issue 4-p. 589-593.

60. Munch J., Wuerker R. Holographic technique for correcting aberration in a telescope.-Appl. Opt., 1989, vol. 28, issue 7-p. 1312-1317.

61. Munch J., Wuerker R., Heflinger L. Wideband holographic correction of an aberrated telescope objective- Appl. Opt., 1990, vol. 29, issue 16-p. 2440-2445.

62. Kogelnik H., Pennington R.S. Holographic imaging through a random medium.- JOSA, 1968, vol. 58, No, 2.-p. 273-274.

63. Денисюк Ю.Н., Соскин С.И. Голографическая коррекция деформационных аберраций главного зеркала телескопа- Оптика и спектроскопия, 1971, том 31, вып. 6.- с. 992-999.

64. Кузилин Ю.Е., Синцов В.Н. Голографический синтез апертуры составного объектива Оптика и спектроскопия, 1974, том 36, вып. 3-с. 608-611.

65. Пименов Ю.Д., Кузилин Ю.Е., Синцов В.Н., Ситник Н.А. Голографический корректор в объективе с составным главным зеркалом.-ОМП, 1984, вып. 7.- с. 23-26.

66. Andersen G.A., Munch J., Veitch P. Holographic correction of large telescope primaries by proximal off-axis beacon Appl. Opt., 1996, vol. 35, issue 4-p. 603-608.

67. Andersen G.A., Munch J., Veitch P. Compact holographic correction of aberrated telescopes Appl. Opt., 1997, vol. 36, issue 7 - p. 1427-1432.

68. Vasil'ev M.V., Berenberg V.A., Leshchev A.A., Semenov P.M., Venediktov V.Yu. White light imaging using large numerical aperture telescope withdynamic holographic correction for primary mirror distortions Proc. SPIE, 1998, vol. 3432.-p. 164-170.

69. Guthals D.M., Sox D., Joswick M.D., Rodney P.J. Real-time holographic compensation of large optics for space deployment- Proc. SPIE, 1999, vol. 3760.-p. 162-171.

70. Gruneisen M.T., Wick D.V., Martinez Т., Wilkes M. Correction of large dynamic aberrations by real-time holography using electro-optical devices and nonlinear optical media.- Proc. SPIE, 1998, vol. 3432 p. 137-150.

71. Ageichik A.A., Dimakov S.A., Kotiaev O.G., Leschev A.A., Resunkov Yu. A., Safronov A.A., Sherstobitov V.E., Stepanov V.V. The use of dynamic holographic technique for corrections of aberrations in telescopes.- Proc. SPIE, 1996, vol. 2771,-p. 156-163.

72. Gruneisen M.T., Peters K.W., Wilkes M. Corrected imaging by real-time holography with optically addressed liquid-crystal spatial light modulator.-Proc. SPIE, 1997, vol. 3143.-p. 171-181.

73. Venediktov V.Yu., Berenberg V.A., Bezina N.A., Leshchev A.A., Vasil'ev M.V., Vladimirov F.L. Novel scheme of dynamic correction using negative optical feedback-Proc. SPIE, 1998, vol. 3432-p. 171-177.

74. Gruneisen M.T., Martinez Т., Wick D.V., Wilkes J.M., Baker J.T., Percheron I. Holographic compensation of severe dynamic aberrations in membrane-mirror-based telescope systems-Proc. SPIE, 1999, vol. 3760-p. 142-152.

75. Dimakov S.A., Bogdanov M.P., Gorlanov A.V., Kislitsyn B.V., Zhuk D.I. Control of membrane mirror profile by electrostatic field Proc. SPIE, 2000, vol. 4091.-p. 137-143.

76. Справочник по пластическим массам / Под ред. Катаева В.М., Попова В .А., Сажина Б.И. М.: Химия, 1975. - Т. 1-2.

77. Коломийцов Ю.В. Интерферометры- JL: Машиностроение (Ленингр. Отделение), 1976.-е. 296.

78. Креопалова Г:В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измеренияМ.: Машиностроение, 1987.-е. 263.

79. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения.-М.: Наука, 1979.-е. 328.

80. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V. Factors disturbing a preshaped membrane mirror-Proc. SPIE, 2000, vol. 4091 -p. 144-151.

81. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V. Membrane primary mirror for a telescope with a real-time holography corrector Proc. SPIE, 2000, vol. 3951.- p. 150-157.

82. Dimakov S.A., Klimentiev S.I., Zhuk D.I. Real-time holographic correction of image of a moving object observed by a telescope with a membrane primary mirror-Proc. SPIE, 2005, vol. 5894-p. 401-409.

83. Dimakov S.A., Kislitsyn B.V., Klimentiev S.I., Zhevlakov A.P., Zhuk D.I. Thermo-correction of quasi-static optical distortions for EUV lithography.-Proc. SPIE, 2005, vol. 5708.-p. 170-179.

84. Dimakov S.A., Bogdanov M.P., Gorlanov A.V., Kislitsyn B.V., Kliment'ev S.I., Zhuk D.I. Electrically controlled preshaped membrane mirror for systems with wavefront correction.- Proc. SPIE, 2003, vol. 5162 p. 147-156.