ДАТЧИК ФОРМЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ШАКА-ГАРТМАНА В СХОДЯЩЕМСЯ ПУЧКЕ c С. А. Потанин
advertisement
ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2006, том 32, № 6, с. 477–480 УДК 520.3 ДАТЧИК ФОРМЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ШАКА-ГАРТМАНА В СХОДЯЩЕМСЯ ПУЧКЕ c 2006 г. С. А. Потанин* , П. С. Котляр Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва Поступила в редакцию 22.11.2005 г. Разработан и изготовлен прототип датчика волнового фронта Шака-Гартмана с линзовым массивом, расположенным в сходящемся пучке. Новая схема позволяет уменьшить потери полезного света, а также упростить систему адаптивной оптики. Ключевые слова: адаптивная оптика, волновой фронт, датчик. SHACK–HARTMANN WAVEFRONT SENSOR IN A CONVERGENT BEAM, by S. A. Potanin and P. S. Kotlyar. We designed and made a prototype of the Shack–Hartmann wavefront sensor with a lens array located in a convergent beam. The new system allows us to reduce the losses of usable light and to simplify the system of adaptive optics. PACS numbers : 95.75.Qr Key words: adaptive optics, wavefront, sensor. ВВЕДЕНИЕ Как известно, в астрономических системах адаптивной оптики немаловажную роль играет датчик волнового фронта. Поскольку углы изопланатизма адаптивных систем обычно не превышают 5 , то нахождение объекта, подходящего для успешного детектирования формы волнового фронта, может быть весьма затруднительным, а во многих случаях невозможным (покрытие неба даже в фильтре R составляет 3%). Одним из выходов в этих ситуациях является применение искусственных лазерных звезд. Другим способом увеличения покрытия неба адаптивной системы является усовершенствование датчика волнового фронта. В нашей работе предпринята попытка повышения эффективности датчика Шака-Гартмана (Соусвелл, 1980). Обычно микролинзовый растр устанавливается в параллельном пучке, который получается после коллиматора. При этом приходится перестраивать изображение в части научной аппаратуры. Все это вызывает неизбежные потери света на вспомогательных оптических элементах. Кроме того, сам микролинзовый растр является довольно дорогостоящим изделием и его практически невозможно изготовить без специального оборудования (Йоон и др., 1996). В предлагаемой нами модификации * Электронный адрес: potanin@sai.msu.ru датчика волнового фронта линзовый массив может быть изготовлен без особого труда в любой оптической лаборатории, а также свободен от использования каких-либо дополнительных коллиматоров и перестраивающих объективов. УСТРОЙСТВО МОДИФИЦИРОВАННОГО ДАТЧИКА От телескопа к фокальной плоскости идут сходящиеся световые пучки. Если аберрации в оптической системе телескопа отсутствуют и на ее входное отверстие падает плоский, невозмущенный волновой фронт, то около фокальной плоскости фазовая поверхность световой волны имеет сферическую форму с радиусом кривизны, равным расстоянию от исследуемой точки до фокальной плоскости. При наличии каких-либо искажений форма фронта будет отличаться от сферы. Поэтому разумно измерять локальные наклоны фронта непосредственно относительно опорной сферической поверхности. Реализовано это было следующим образом. На вогнутую поверхность тонкого стеклянного мениска с диаметром 30 мм и с радиусами кривизны поверхностей, отличающимися на его толщину, были наклеены квадратные плоскопараллельные пластинки с размерами 3 × 3 мм. Таким образом был образован линзовый массив. Если на выпуклую 477 478 ПОТАНИН, КОТЛЯР кальной поверхности изменятся на величину, пропорциональную среднему в пределах субапертуры наклону волнового фронта и фокусному расстоянию линзы растра (как в обычном датчике ШакаГартмана). F F' Рис. 1. Схема модифицированного датчика Шака-Гартмана, установленного в сходящемся пучке. поверхность мениска падает сферическая волна с радиусом кривизны, близким к радиусу кривизны поверхности, то она без преломления проходит внутрь стекла. Пройдя толщину мениска, фронт попадает на сетку расположенных к нему по нормали квадратных плоских участков, при этом радиус кривизны фронта в каждой субапертуре после выхода из плоской поверхности уменьшается. В результате на некоторой сферической поверхности вблизи фокуса телескопа образуются изображения объекта, построенные каждой субапертурой (рис. 1). Если волновой фронт искривлен (имеет локальные наклоны относительно опорной сферы), то положения изображений объекта на новой фо- Рис. 2. Фото готового линзового массива. В нашем случае линзовый массив был рассчитан таким образом, чтобы в пучке со сходимостью D/F = 1/8 зрачок делился приблизительно на 10 × 10 субапертур и размер области, в которой строятся изображения, не превышал 10 мм (чтобы они уложились в ПЗС-детектор). При этом фокусное расстояние линз получилось равным 180 мм, а радиус кривизны выпуклой поверхности мениска – 256 мм. Фотография готового линзового массива показана на рис. 2. Как было отмечено выше, поверхность, на которой фокусируются изображения, построенные субапертурами, не плоская, что приводит к невозможности одинаковой фокусировки сразу всех изображений на детекторе. Поскольку эта поверхность сферическая, то минимальная расфокусировка на кадре (в наилучшем положении приемника) составит величину δf ≈ D2 /(16R), где D – размер кристалла детектора, а R – радиус кривизны фокальной поверхности. Для параметров, использованных при изготовлении датчика, величина расфокусировки составляет 0.1 мм, а относительное отверстие на одной субапертуре – 1/60, таким образом, размер изображений, в данном случае определяется в большей степени дифракцией. Рис. 3. Изображения, построенные субапертурами на детекторе. ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 32 №6 2006 ДАТЧИК ФОРМЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ãËÌÁÓ‚˚È Ï‡ÒÒË‚ ÑÂÎËÚÂθ 479 ëÍÓÓÒÚÌÓÈ ëåéS ÍËÒÚ‡ÎÎ ÑÂÙÓÏËÛÂÏÓ ÁÂ͇ÎÓ R2 R1 ç‡Û˜Ì‡fl èáë-͇χ R2 Рис. 4. Упрощенная схема адаптивной оптики с датчиком Шака-Гартмана в сходящемся пучке. ТЕСТИРОВАНИЕ Изготовленный датчик тестировался на оптической скамье. При помощи качественного сферического зеркала был получен пучок со сходимостью 1/10. При этом освещалась не вся апертура линзового растра, хотя вся остальная геометрия была соблюдена. Таким образом, было получено опорное положение центроидов, соответствующих субапертурам (отклик на “идеальный” сферичекий волновой фронт) (рис. 3). Из-за воздушных потоков в помещении для нахождения опорных точек приходилось усреднять их положения за довольно большие промежутки времени. На рисунке видно, что некоторые точки сильно отклоняются от узлов квадратной сетки. Это вызвано тем, что при наклейке были допущены ошибки. Качество наклейки пластинок контролировалось визуально и, несмотря на это, все кроме одной субапертуры (на рис. 2 она закрашена) оказались пригодными для измерений. Если во время наклейки контролировать точность установки пластинок оптическим способом, т.е. непосредственно снимая получающуюся картинку на приемник, то можно добиться почти идеальной геометрии центроидов. В действительности из-за наличия неточностей положения точек ограничивается верхний предел амплитуды регистрируемых фазовых искажений, но нижний предел остается ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 32 неизменным. Если необходимо, чтобы отклонения точек от идеального положения не превышали 10 микрометров (примерно один пиксель изображения), то допуски на угол установки одной пластинки составят величину порядка 10 угл. сек. Требования эти довольно жесткие, однако для реальных измерений пригодны центроиды с отклонениями от номинальных положений на 5–10 пикселей (при данном количестве субапертур). При увеличении количества пластинок допуски на их наклон будут ужесточаться из-за уменьшения расстояния между центроидами на детекторе. Для тестирования чувствительности датчика волновой фронт возмущался помещением теплого предмета под световой пучок вблизи контрольного зеркала (например, руки). Изображения, построенные субапертурами, записывались на WEB-камеру с частотой 30 кадров в секунду. Восстановление формы волнового фронта производилось стандартным способом – находились коэффициенты полиномов Цернике (Нолл, 1976; Соусвелл, 1980). Алгоритм успешно работал даже при сильных возмущениях (от нагретого паяльника). Подобного рода устройство может использоваться в упрошенных схемах адаптивной оптики, например в схеме, изображенной на рис. 4. Здесь сходящийся осевой пучок от телескопа, отражаясь №6 2006 480 ПОТАНИН, КОТЛЯР ÑÂÙÓÏËÛÂÏÓ ÁÂ͇ÎÓ àÒÚÓ˜ÌËÍ Ò‚ÂÚ‡ éÚÍˉÌÓ ÁÂ͇ÎÓ Рис. 5. Одна из возможных схем получения опорного сферического волнового фронта. от диагонального деформируемого зеркала, попадает на специальный светоделитель, объединенный с линзовым массивом. Сам светоделитель представляет из себя делительный кубик с концентрическими сферическими поверхностями (это могут быть наклеенные на поверхность обычного кубика линзы), который не вносит аберраций в пучок с определеной сходимостью. На рис. 4 светоделитель с микролинзами показан увеличенным справа. Микролинзы наклеены на вогнутую поверхность, обращенную к камере детектора. Количество элементов в этой схеме сведено к минимуму – отсутствуют колиматор и перестраивающий объектив. Отсутствие промежуточной фокальной плоскости приводит к невозможности забора света для датчика только от опорной звезды, т.е. приводит к потерям полезного света на делителе, однако она дает возможность исключить коллиматор и объектив, что может дать выигрыш до 15% (по отношению к схемам с подобным светоделителем). Кроме того, наличие объектива после всех корректирующих и детектирующих устройств приводит к тому, что его аберрации требуют дополнительных исследований и учета при коррекции. Отсутствие фокальной плоскости также приводит к усложнению процедуры определения референтного положения центроидов. Использование в качестве опорного усредненного фронта от звезды не даст возможности компенсировать аберрации оптической системы телескопа. Опорный фронт можно получать введением так называемой фиктивной фокальной плоскости, например при помощи эллиптического зеркала, один из фокусов которого совпадает с фокусом телескопа, а в другом помещен опорный точечный источник. Также можно предложить несколько автоколлимационных схем, работающих непосредственно через светоделитель из реальной фокальной плоскости. Пример такой схемы показан на рис. 5. Здесь референтный фронт получается введением в пучок перед научной аппаратурой дополнительного плоского зеркала, которое отражает расходящийся от опорного источника света пучок к делителю. Если источник достаточно яркий и находится в центре кривизны выпуклой поверхности светоделителя, то отраженный от этой поверхности свет создаст сферический сходящийся фронт, который попадет на линзовый массив. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В лаборатории новых фотометрических методов ГАИШ был разработан и испытан датчик волнового фронта Шака-Гартмана, работающий в сходящемся пучке. Тестирование на стенде показало, что данное устройство может применяться как в системах адаптивной оптики, так и для оптических контрольных измерений. Авторы выражают благодарность следующим сотрудникам ГАИШ: В.Г. Корнилову и Н.И. Шатскому за ценные обсуждения; А.В. Засову и А.С. Шугарову за предоставление оборудования, используемого при тестировании. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Йоон и др. (G.Yo Yoon, T. Jitsuno, M. Nakatsuka, et al.), Appl. Opt. 35(1), 188 (1996). 2. Нолл (R. Noll), Opt. Sos. Am. 66(3), 207 (1976). 3. Соусвелл (W.H. Southwell), Opt. Sos. Am. 70(8), 998 (1980). Сдано в набор 26.01.2006 г. Подписано к печати 29.03.2006 г. Офсетная печать Усл. печ. л. 10.0 Усл. кр.-отт. 1.3 тыс. Тираж 123 экз. Формат бумаги 60 × 881 /8 Уч.-изд. л. 10.1 Бум. л. 5.0 Зак. 1385 Учредители: Российская академия наук, Институт космических исследований РАН Издатель – Научно-производственное объединение «Издательство “Наука”», 117997 Москва, Профсоюзная, 90 Оригинал-макет подготовлен МАИК “Наука/Интерпериодика” Отпечатано в ППП “Типография “Наука”, 121099 Москва, Шубинский пер., 6
