отзыв официального оппонента В.И. Скоморовского на

ОТЗЫВ
Официального оппонента на диссертацию Стукачева Сергея Евгеньевича
«Дифракционный метод регистрации оптических волновых полей»,
представленную на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
по специальности 01.04.03 – Радиофизика
Диссертация является законченной работой, посвященной теоретической и экспериментальной
разработке новых методов регистрации оптических волновых полей и обеспечению практической
реализации методов для исследования и изготовлении прецизионных оптических систем.
Феномен работы – это редкое в наше время сочетание разработки теории , построение алгоритмов
измерений , разработки методов устранения ошибок измерений и создании на их основе приборов
для исследования волновых полей при прохождении оптических систем и сред.
Актуальность темы
определяется необходимостью создания высокоточных оптических систем для наблюдений
наземных и астрономических объектов и получения их изображений с высоким пространственным
разрешением. Способы прямой предварительной оценки качества изображения состоят в наблюдении тест-объекта, изображение которого формируется при помощи исследуемой системы, и измерении фотометрической структуры этого изображения. Однако, часто оказывается невозможно
проводить прямые наблюдения во время технологического цикла оптического производства.
Применяют косвенные методы, которые позволяют по известной топографии отклонений волнового фронта рассчитать большинство характеристик качества изображения. Косвенные методы
дают возможность определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения, что служит широкой предпосылкой широкого применения косвенных методов в условиях производства, например при обработке оптических поверхностей, изготовлении оптических элементов и юстировке оптических систем.
Однако при всех своих достоинствах высокой чувствительности и наглядности известные косвенные методы имеют серьезные недостатки. Например, теневой метод имеет до сих пор непреодоленные трудности количественной интерпретации теневого изображения и применяется в основном для технологического контроля качественной оценки формы поверхностей и аберраций
отдельных элементов и системы. Фундаментальным недостатком метода Гартмана, а также принципиально близкого метода Шака- Гартмана является пространственная дискретность данных по
зрачку, поэтому информация о мелких деформациях волнового фронта между отдельными пучками отсутствует. Вибрации элементов измерительной схемы и флуктуации воздушного тракта
приводит к нерезкости пятен гартманограмы, и это снижает точность измерений. Возможности интерферометрического метода часто снижаются из-за его чувствительности к влиянию неоднородностей воздуха и колебаний измерительного плеча относительно опорного. Влияние турбулентности воздуха обычно устраняют, контролируя систему в камере с вакуумом. Так, при изготовлении
объектива диаметром 800 мм и с фокусным расстоянием 40 м Большого солнечного вакуумного
телескопа Байкальской обсерватории для обеспечения контроля с неравноплечным интерферометром в ИСЗФ в конце 70-х годов была построена вакуумная труба длиной 50 метров с камерой. Но
даже при соблюдении условий измерения в вакууме и устранения влияния вибраций значения
требуемой точности в двухлучевой интерферометрии определяются допустимыми остаточными
ошибками опорной оптической поверхности
В настоящее время ведутся разработки в направлении дифракционной интерферометрии, в которой в качестве опорного используется волновой фронт, образованный дифракцией на малом отверстии в полупрозрачном или непрозрачном экране. Этот фронт является почти идеальной поверхностью постоянной фазы излучения. Однако существующие методы остаются интерферомет1
рическими, двухлучевыми, с присущими им перечисленными ошибками. Кроме того они не пригодны для работы с некогерентными источниками искусственного и неискусственного происхождения. Поэтому актуальны исследования, направленные на разработку альтернативных способов
регистрации волновых полей оптических систем и сред, и в частности, метода регистрации дифракционного волновых полей от любых источников с помощью дополнительных экранов с
устранением ошибок при регистрации интенсивности этих полей
Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных
в диссертации
Защищаемые положения достаточно полно обоснованы экспериментальными данными по регистрации волнового поля и согласованностью экспериментальных результатов с расчетными характеристиками Автор количественно оценивает точность измерений интенсивности волновых фронтов, вводит поправки за неоднородность регистрирующих систем, и проведенные измерения
фактически не нуждаются в использовании эталонов волновых фронтов. Обоснованность рекомендаций на внедрение разработок в оптические исследования подтверждаются сопоставлением
авторских разработок с измерениями на существующих приборах и на новых разработках автора
исследования волновых фронтов, выполненные в Институте прикладной физики РАН. Было убедительно показано высокое качество (и оригинальность) данных эксперимента. Обоснованность
научных положений и выводов работы подтверждена публикациями содержащихся в них результатов в реферируемых журналах и докладами на научных конференциях.
Достоверность и новизна исследования, полученных результатов, выводов и рекомендаций
Рецензируемая работа представляет собой особое явление в ряду диссертаций. В ней аккумулированы: теория дифракционного метода регистрации оптических полей – метод дополнительных
экранов, разработки прибора и метода калибровки его матричного приемника, результаты исследований и наработки перспективных направлений. Работа делалась в нескольких направлениях, но
построена логически. Ни один из этапов не был пропущен. Я рассматриваю все направления этой
диссертации как успешную демонстрацию отечественного приборостроения на мировом уровне.
В работе критически рассмотрены классические методы оптического контроля волновых фронтов,
практически за весь исторический период их открытий и модификаций. К моменту начала диссертационной работы была известна схема лазерного интерферометра с дифрагированным на малом
отверстии опорным волновым фронтом. Фактически это схема двухлучевого интерферометра с
присущей ей трудностями регистрации кривизны интерференционных полос. В случае больших
аберраций для увеличения точности измерений применяют фазовую модуляцию – сканирование
одного из лучей, но при этом не всегда удается решить проблему влияния вибраций и соблюдения
точности фазы и амплитуды сканирования.
Принципиально новым является предложенный и экспериментально проверенный дифракционный метод регистрации с дополнительными экранами. Была решена задача получения дифракции
на одном или нескольких объектах, подобранных таким образом, чтобы результаты интенсивности дифрагированных полей позволяли с высокой точностью восстанавливать интенсивность и фазу исходной световой волны при минимальном числе измерений. Предложенная в настоящей работе схема позволяет проводить точные измерения фазы волнового поля без использования фазовой
модуляции. Регистрация интерферограмм здесь заменена измерениями интенсивностей картин дифракции волнового поля на амплитудных масках. Такие распределения интенсивности свободны
от основного недостатка интерферограмм – чрезмерной чувствительности к дрейфам и вибрациям
в оптических элементах схемы, что является существенным преимуществом дифракционного метода перед интерферометрическим. Достоверность предложенного метода была проверена исследованием свойств полученной системы уравнений, связывающие между собой неизвестные значе2
ния фазы и результаты измерений интенсивности, а также компьютерным моделированием эксперимента по измерению случайного распределения фазы волнового поля методом дополнительных
экранов с учетом случайных шумов, возникающих при регистрации интенсивности. Кроме того
сам выполненный эксперимент, обоснование и соблюдение допусков на взаимную ориентацию
элементов схемы, методика калибровки подтверждают достоверность данных о высокой точности
измерений , обеспечиваемую методом дополнительных экранов.
Новым также является разработка метода калибровка пространственного распределения светочувствительности матричных фотоприемников. Это очень важно, поскольку точность регистрация
волновых фронтов зависит от точности измерения интенсивности излучения. Проверенный, моделированием и на практике, метод калибровки фотоприемников без использования эталонных распределений интенсивности позволяет значительно уменьшить ошибку измерений.
И наконец, предложенный автором новый растровый метод измерения волновых фронтов дает
возможность измерений фронтов с большими аберрациями не только от когерентных, но и от некогерентных источников.
Значимость для науки и практики полученных автором результатов
Во-первых, следует отметить, что, в отличие от многих других работ, посвященных либо проблеме
измерения фазы, либо разработке средств регистрации интенсивности, в своей диссертации С.Е.
Стукачев касается обеих проблем сразу. Автор решает задачу полного описания волнового поля с
высокой степенью точности, что открывает возможности для решения новых прикладных задач,
связанных в первую очередь с построением трехмерных цифровых изображений.
Во-вторых, предложенный автором дифракционный метод измерения фазы оптического излучения
безусловно представляет собой достойную альтернативу традиционным фазометрическим техником. Точность измерений, которая может быть достигнута при помощи метода дополнительных
экранов, на сегодняшний день обеспечивается только интерферометрами, использующими технику
фазовой модуляции. В то же время дифракционный метод, в отличие от интерферометрических
устройств, не требует использования когерентной опорной волны и в гораздо меньшей степени
чувствителен к вибрациям и дрейфам оптических элементов, составляющих схему измерительного
устройства. Он обязан найти применение в оптических измерениях прецизионных оптических систем.
В-третьих , предложенный автором способ устранения влияния неоднородности чувствительности матричных приемников может оказаться полезным в большинстве фотометрических измерений в астрофизических исследованиях.
Несмотря на все старания, мне не удалось найти принципиальных ошибок в работе, но некоторые
рассуждения требуют пояснения. В связи с этим привожу следующие замечания и вопросы.
1. В обзоре методов интерферометрического контроля, глава 1, где обсуждается их чувствительность к вибрациям и необходимости точной опорной поверхности, следовало бы отметить,
например, метод контроля крупногабаритной оптики с дифракционным интерферометром (Домышев Г.Н., Скоморовский В.И. Интерферометр на дифракционных решетках // Исслед. по геом.,
аэроном. и физ. Солнца.-1988.-В.79.-С.193-197). В нем требования к эталону снижены, так как в
интерферометре установлены две решетки, одна из которых является слепком с другой, и ошибки
их волновых фронтов частично компенсируются.
2 . В главе 2.5 приведена модификация метода дополнительных экранов, в котором три последовательных измерения интенсивности заменяются на три одновременных измерения в трех параллельных каналах. Автор предлагает решение проблемы учета влияния неоднородностей приемников излучения, но не объясняет, как учитывается инструментальная ошибка каждого плеча.
3
4