Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные подходы к изготовлению крупногабаритных зеркал с уменьшенной массой 12
1.1. Композитные зеркала 13
1.2. Фокусирующие тонкопленочные зеркала 15
1.3. Требуемое оптическое качество в задачах концентрации солнечных лучей и в задачах создания телескопов 18
1.4. Демонстрационные эксперименты по компенсации искажений в телескопических системах методами
динамической голографии 23
Глава 2. Изготовление и экспериментальное исследование тонкопленочных зеркал 28
2.1. Тонкопленочные зеркала на основе плоских пленок 28
2.2. Конструкция макета тонкопленочного зеркала 31
2.2.1. Полимерные пленки пригодные для изготовления тонкопленочного зеркала 31
2.2.2. Технологические этапы изготовления тонкопленочного зеркала 34
2.2.3. Описание установки для исследования характеристик тонкопленочного зеркала 38
2.2.4. Методика настройки макета тонкопленочного зеркала 40
2.2.5. Исследование качества рабочей
поверхности макета тонкопленочного зеркала... 44
2.3. Проблема создания светосильных тонкопленочных зеркал 52
2.4. Тонкопленочное зеркало с электростатическим притяжением пленки к электроду ; 54
2.5. Создание тонкопленочного зеркала с
предварительной формой поверхности 58
2.5.1. Основные этапы и особенности изготовления тонкопленочного зеркала с предварительной формой 60
2.5.2. Описание конструкции лабораторного макета тонкопленочного зеркала с предварительно сформированной поверхностью 63
2.5.3. Исследование оптического качества тонкопленочного зеркала с предварительной формой и электростатическим управлением -65
Глава 3. Исследование методов улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала 70
3.1. Исследование метода улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала при использовании центрального толкателя ... : 71
3.2. Исследование возможности применения теплового нагрева в задаче улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала 76
3.3. Исследование возможности электростатического управления формой рабочей поверхности тонкопленочного
зеркала с предварительным профилем 80
Глава 4. Голографическая коррекция изображения в макете наблюдательного телескопа с тонкопленочным главным зеркалом 88
4.1. Описание оптической схемы экспериментальной наблюдательной телескопической системы 88
4.2. Результаты исследования голографической коррекции искажений тонкопленочного зеркала 92
Заключение 98
Литература
- Требуемое оптическое качество в задачах концентрации солнечных лучей и в задачах создания телескопов
- Полимерные пленки пригодные для изготовления тонкопленочного зеркала
- Основные этапы и особенности изготовления тонкопленочного зеркала с предварительной формой
- Исследование возможности применения теплового нагрева в задаче улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала
Введение к работе
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
оптическое качество, представляется актуальной задачей.
Одной из важнейших характеристик зеркала является отношение его массы к площади рабочей поверхности. Этот параметр называется?-поверхностной плотностью (размерность [кг/м2]). Зеркала с величиной 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].
Отражающая/ fa пленка
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 осповой 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.
.1*
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.
Требуемое оптическое качество в задачах концентрации солнечных лучей и в задачах создания телескопов
Авторы работы [39] считают перспективным использование пленочных зеркал в мощных импульсных СО2 лазерах с большим поперечным сечением активной среды. В этой работе зеркало диаметром 150 мм из полиэтилентерефталата (лавсана) толщиной 25 мкм с отражающим слоем алюминия толщиной 1000 А использовалось в импульсном СОг лазере. Перестройка кривизны поверхности достигалась изменением давления газа на пленку. Контрольные измерения параметров пучка показали, что они оказались такими же, как и при использовании традиционных зеркал с фиксированной кривизной.
X. Шимизу с соавторами [40] рассмотрел фокусирующее зеркало с переменным фокусным расстоянием, изготовленное из виниловой пленки с алюминиевым покрытием, натянутой на круговую раму. Зеркало использовалось в лидаре, расположенном на борту корабля «Шаттл».
Использование пленочных концентраторов лучистой энергии позволяет увеличить мощность солнечных элементов, для космических аппаратов, без наращивания их площади [41].
Большие тонкопленочные зеркала применяются в коммуникационных системах космического базирования в качестве антенн, рефлекторов, космических радаров и пр. [19,42-46].
В последние годы в России проводятся работы по созданию на околоземной орбите солнечных крупногабаритных отражателей, предназначенных для освещения отдельных участков земли. Эта идея была высказана еще в 20-х годах XX века Ф.Э. Цандером и считалась фантастической до недавнего времени. Но при современном состоянии техники, когда такие зеркала можно делать из полимерной металлизированной пленки, фантастическая идея превращается в реальность. В начале 1993 года РКК «Энергия» провела демонстрационный эксперимент «Знамя-2», в результате которого в космосе был развернут 20-метровый тонкопленочный отражатель, с помощью которого осуществлялась подсветка земли перед восходом Солнца. Растяжение бескаркасного пленочного отражателя осуществлялось с помощью центробежных сил, возникающих при вращении отражателя вокруг оси [47]. Имея опыт работы с такими рефлекторами, планы корпорации - создание отражателя диаметром 60 и 200 м.
В Соединенных Штатах Америки существует специальная научно-техническая программа по созданию крупногабаритных зеркал на базе тонких полимерных пленок для будущих космических телескопов [22]. Американские специалисты рассматривают тонкопленочные зеркала как одну из передовых технологий создания крупногабаритных космических» зеркал диаметром 15-20, а в перспективе и 50 метров.
Тонкопленочные зеркала имеют заметные преимущества по их эксплуатации над современными монолитными зеркалами. Они в принципе могут быть упакованы в малые объемы (рис. 1.3), что особенно важно, когда зеркало нужно разместить на борту космического аппарата имеющего ограниченные размеры [10]. Такие зеркала могут легче разворачиваться, быть более дешевыми по сравнению со стеклянной или металлической оптикой, а уменьшение общей массы телескопической системы снижает стоимость космического запуска.
Рассмотренные подходы для изготовления больших зеркал с уменьшенной массой предполагают, что при их дальнейшем использовании в наблюдательных телескопах, необходима последующая коррекция остаточных деформаций их зеркальной поверхности, чтобы сделать её высококачественной. Это может решаться, упомянутыми ранее, как техникой адаптивной оптики [11-13] так и техникой нелинейной оптики [2,3,5,48].
Ранее отмечалось, что тонкопленочные зеркала широко применяются в гелиотехнике для создания концентраторов солнечной энергии, поскольку их возможно изготавливать большого диаметра, и при этом не требуется высокого оптического качества отражающей поверхности. Например, в работе [18] рассмотрено изготовление 2-х метрового солнечного надувного концентратора из 12-и микронной металлизированной лавсановой пленки. Фокусное расстояние такого концентратора составляло 0.67 м, круглое фокальное пятно имело диаметр 0.08 м. При этом создавалась 600-кратная концентрация солнечного излучения, и обеспечивалось равномерное облучение объектов (емкость с водой, теплоноситель и т.п.). Такой концентратор достаточно хорошо выполнял свои функции, и при этом не требовалось высокого оптического качества его отражающей поверхности.
Направление с использованием больших тонкопленочных зеркал достаточно разработано для космических устройств связи в радиочастотном диапазоне длин волн. Здесь, также не требуется высокого качества рабочей поверхности зеркала.
В работе [37] представлен 3-х метровый надуваемый газом пленочный рефлектор, который является сектором 14 метровой космической антенны. Он изготовлен из майларовой пленки толщиной 6.35 мкм с тонким алюминиевым покрытием. Среднеквадратичное отклонение формы поверхности рефлектора от параболоида составляет ошибку 0.67 мм.
Таким образом, для рассмотренных выше областей использования, тонкопленочная оптика нашла успешное применение.
Что касается астрономических применений, например, использования тонкопленочного зеркала в качестве главного зеркала наблюдательного телескопа, то здесь существует проблема получения высокого оптического-качества отражающей поверхности зеркала. Помимо того, чтобы собрать излучение от небесных объектов, необходимо еще и обеспечить высокое разрешение в их изображении. Поэтому оптическое качество главного зеркала такого телескопа должно быть высоким.
Полимерные пленки пригодные для изготовления тонкопленочного зеркала
Итак, выше изложенные исследования полимерных пленок показали, что для изготовления основы тонкопленочного зеркала наилучшим вариантом служит алюминированная лавсановая пленка толщиной 20 мкм.
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что для получения отражающей поверхности наиболее высокого качества необходимо было выполнить тщательным образом следующие технологические этапы:
1) Выбрать образец пленки наиболее однородный на вид (без складок, замятии и т.п.). Расправить его практически без натяжения на плоской поверхности стеклянной пластины хорошего оптического качества, смоченной водой или глицерином, таким образом, чтобы пленка «приклеилась» к плоской поверхности стекла так, чтобы поверхность пленки стала максимально гладкой.
2) Затем на расправленную пленку накладывают прижимное кольцо 4 (см. рис.2.2) с внутренним диаметром d=300 мм, на одну из сторон которого наклеен по периметру двусторонний скотч.
3) После этого приклеенная к кольцу пленка вместе с кольцом аккуратно снимается со стеклянной пластины и скрепляется с технологическим кольцом такого же размера, как и прижимное.
4) В таком состоянии пленка подвергается стабилизационному старению. Для этого она помещается в электрическую термостатированную печь и нагревается до температуры 150С, выдерживается при этой температуре в течение получаса, после чего медленно охлаждается [14]. Термообработка позволила уменьшить объемные неоднородные напряжения внутри плёнки и разгладить мелкие складки. В этом процессе пленка подвергалась также равномерному радиальному растяжению. Это растяжение возникало из-за температурного расширения кольцевой фиксирующей оправы и оставалось неизменным после охлаждения пленки (оправа при этом охлаждалась существенно медленнее, чем пленка). В результате растяжение плёнки становилось более однородным.
5) После такой обработки пленка при сохранении своего натяжения монтируется вместе с прижимным кольцом 4 (технологическое кольцо отсоединяется) на основание 1 макета зеркала, конструкция которого приведена на рис. 2.2. Это кольцо прижимается двенадцатью болтами к основанию. При этом пленка дополнительно натягивается опорным кольцом 2, которое выступает на 3 мм над плоскостью закрепления плёнки.
6) Затем выполняется окончательная настройка зеркала. Винты 6 регулировали натяжение пленки путем поступательного движения кольца 2, а настроечные винты 7, которые равномерно расположены по окружности зеркала (всего их 12 шт.), создавали воздействие на пленку и более равномерное её натяжение. Между винтами 7 и пленкой расположено узкое гибкое плоское кольцо 8, изготовленное из текстолита. Упругость кольца частично выравнивала натяжения между соседними винтами 7 и позволяла создавать плавно изменяющуюся по азимуту картину дополнительных выравнивающих сил натяжения. Такая возможность поэтапного натяжения пленки отличает данную конструкцию тонкопленочного зеркала от конструкций, описанных в работах [14,55].
Основание 1, кольца 2, 4 изготовлены из алюминиевого сплава. Особое внимание уделялось обработке их поверхностей. Они должны иметь хорошее качество плоскости и высокую чистоту поверхности.
Особенностью конструкции является то, что опорное кольцо 2 разделяет внутренний объём зеркала на две полости: круговую центральную 10 и наружную кольцевую 11. Обе полости имеют отдельные штуцеры 5 для откачки воздуха. С их помощью при необходимости можно создавать различные давления в каждой полости 10, 11. Откачка воздуха из наружной , полости 11 позволяет предварительно симметрично растянуть плёнку в радиальном направлении, а разрежение в центральной полости 10 обеспечивает равномерную нагрузку на плёнку и формирует отражающую поверхность.
Полный световой диаметр зеркала, формируемый диаметром опорного кольца 2, составил 250 мм. При изменении разности давления на внешнюю и внутреннюю поверхность пленки, например, при откачке воздуха из полости 10, пленка прогибается, что позволяет плавно изменять фокусное расстояние зеркала. Герметичность полостей 10, 11 в местах контакта с пленкой, а также на нижней опорной поверхности кольца 2, обеспечивается вакуумной смазкой. Натяжные винты 6 также имеют герметичную конструкцию.
Основные этапы и особенности изготовления тонкопленочного зеркала с предварительной формой
На первом этапе изготовления зеркала необходимо было выбрать образец пленки не имеющий складок, замятии, заломов, так как они не допустимы для формирования отражающей поверхности поскольку вносят дополнительные искажения. Этот выбор обусловлен тем, что полностью от существующих искажений в пленке избавиться невозможно. Можно лишь их уменьшить, выбрав наиболее подходящий образец. А это, в конечном счете, скажется на оптическом качестве зеркала. Затем образец пленки первоначально расправляется без натяжения на плоской поверхности стеклянной пластины хорошего оптического качества, смоченной жидкостью таким образом, чтобы поверхность пленки была гладкой. Потом на пленку приклеивается технологическое кольцо, имеющее специально обработанный плоский рабочий торец. После этого приклеенная к кольцу пленка вместе с кольцом снимается со стеклянной пластины.
II. На втором этапе требуется создать максимально возможное равномерное натяжение в пленке в пределах упругих деформаций, когда материал еще восстанавливает свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Такое натяжение необходимо для того, чтобы при формовке пленки на матрице в пленке произошли пластические деформации по всему световому диаметру зеркала. В данном случае это натяжение создается последовательно с помощью технологического кольца при закреплении пленки на основании зеркала 1 и затем опорным кольцом 2 (см. рис.2.17). При закреплении пленки особое внимание уделялось ее фиксации между прижимным кольцом 6 и основанием зеркала 1 (см/ рис.2.17) с тем, чтобы при формовке она не вытягивалась из под кольца.
III. Третий этап - это процесс формовки. Подготовленная необходимым образом пленка накладывается на матрицу и под действием некоторого усилия полностью облегает матрицу и фиксируется в таком положении.
Непосредственно перед соприкосновением пленки и матрицы обе поверхности очень тщательно очищаются от грязи и пыли в специально оборудованном помещении. В противном случае наличие пыли приводит, в конечном счете, к образованию на отражающей поверхности зеркала множества мелких выемок.
После этого, вся конструкция в сборе помещается в термическую печь и нагревается до температуры 150С, выдерживается при этой температуре в течение получаса, после чего она медленно охлаждается. Термообработка позволила «заморозить» форму, приданную пленке, а также уменьшить неоднородные напряжения внутри нее. Выбор температурного режима обусловлен спецификой данной задачи.
IV. Последний этап заключается в аккуратном снятии отформованной пленки с матрицы.
В результате всех проведенных этапов формировалось тонкопленочное зеркало с предварительной формой поверхности.
Несмотря на то, что приданная пленке форма была «заморожена», при снятии пленки со стеклянной матрицы форма искажалась. Это объясняется тем, что в отформованной пленке присутствовали остаточные напряжения, которые придавали пленке небольшое дополнительное растяжение, когда она была натянута на матрице. Поэтому при снятии реплики с матрицы пленка сжималась на величину этого дополнительного растяжения. Поскольку пленка является эластичной и не имеет жесткости, то получаемое при этом зеркало изменяло форму. На его отформованной поверхности появлялись плавные перегибы (морщины).
Для того, чтобы привести зеркало в рабочее состояние и восстановить форму, близкую к форме матрицы, необходимо было восстановить те нагрузки на пленку, которые реализовывались до снятия пленки с матрицы. В рассматриваемом случае исследовалась возможность восстановления этих нагрузок с помощью перепада газового давления и электрического поля.
Как было выяснено в предварительных исследованиях, описанных в разделе 2.4, максимальное электростатическое усилие, действующее на пленку, при наличии атмосферы, составило довольно малую величину. Такого усилия недостаточно, чтобы придать зеркалу рабочую форму. Поэтому в конструкции зеркала, кроме создания электростатического усилия, имелась возможность создавать некоторый перепад давления газа, для увеличения требуемого усилия.
Таким образом, в рабочее положение зеркало приводится последовательно: сначала создается перепад давления газа, чтобы зеркало приобрело некую рабочую форму, а затем вариацией распределения потенциала между электродом и пленкой, изменяется эта форма. При этом конфигурации применяемых электродов вообще могут быть различны и иметь весьма сложный профиль в зависимости от того, какие нагрузки нужно приложить к пленке, чтобы она повторила форму матрицы, на которой изготавливалась.
Расчет этих нагрузок является очень трудоемкой задачей. Поэтому на первом этапе исследования таких зеркал, были сделаны ограничения с тем, чтобы показать возможность воздействия электростатического поля на форму поверхности зеркала при использовании плоского сплошного и плоского сегментированного электродов. Эти исследования будут описаны в третьей главе диссертации.
Схематическое изображение всех узлов пленочного зеркала показано на рис. 2.17. Световой диаметр зеркала составляет 190 мм.
Пленка с предварительной формой 3 закреплена между корпусом зеркала 1 и прижимным кольцом 6. Находясь именно между этими кольцами, пленка растягивалась на линзе и нагревалась в печи. После придания пленке требуемой предварительной формы эти кольца не разъединялись.
Опорное кольцо 2 обеспечивает дополнительное натяжение пленки и в то же время создает точную поверхность, на которую опирается край зеркала.
Исследование возможности применения теплового нагрева в задаче улучшения оптического качества тонкопленочного зеркала
В предыдущем разделе рассматривалась коррекция крупномасштабных искажений (с характерным размером более диаметра исследуемой части зеркала) поверхности тонкопленочного зеркала путем локального надавливания на пленку. Этот способ показал, что качество поверхности улучшается. Другим способом для улучшения оптического качества поверхности пленочного зеркала является использование бесконтактного воздействия на пленку [89]. В этом случае, не вносятся дополнительные искажения в центральную часть зеркала, которые возникают при использовании толкателя.
Здесь будет рассматриваться исследование по применению так называемой тепловой коррекции [90]. В рамках этих исследований проведен демонстрационный эксперимент по коррекции (улучшению) оптического качества неидеального тонкопленочного зеркала посредством его освещения корректирующим светом.
Эксперимент проводился в видимой области спектра. Коррекции подвергалось вогнутое тонкопленочное зеркало с радиусом кривизны 3.7 м. Световой диаметр зеркала составлял 250 мм. Однако, поскольку поверхность зеркала имела низкое качество, для того чтобы показать ощутимый эффект от применения термокоррекции, большая часть зеркала диафрагмировалась и в эксперименте использовалась центральная часть зеркала диаметром 60 мм, которая в интерферометре дает четкие хорошо различимые интерференционные полосы.
Для контроля поверхности исследуемого зеркала была собрана, также как и в эксперименте с толкателем, схема неравноплечего интерферометра, изображенная на рис. 3.6. В данном случае такая схема весьма удобна, т.к. нежелательно близкое расположение исследуемого .объекта и тестовой поверхности в связи с тем, что корректируемую поверхность нагревают. Кроме того тепловой источник был помещен в специальный кожух, чтобы светить только в нужном направлении.
Для засветки интерферометра в эксперименте использовался слабомощный гелий-неоновый лазер 1 (с длиной волны Л,=0.633 мкм и мощностью Р=2 мВт). Микроскоп 2 образовывал точечный источник света, излучение которого частично отражалось от полупрозрачной поверхности светоделительной пластиной 4, а частично проходило через нее. Первый пучок (опорный) отражался от сферического эталонного зеркала 3, проходил через пластину 4 и далее в плоскость расположения ПЗС камеры 10.
Второй пучок отражался от исследуемого зеркала 5, затем от светоделительной пластины 4, после чего проходил по одному направлению с опорным пучком и интерферировал с ним. Результат интерференции наблюдался на экране монитора компьютера, подключенного к ПЗС камере 10.
В качестве источника корректирующего излучения 7, под действием которого происходила термодеформация поверхности исследуемого зеркала, использовалась лампа накаливания, рассчитанная на напряжение питания 6.8 В, 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 поверхности зеркала менялась в месте освещения за единицы секунд. тонкопленочного зеркала. Пунктирной линией на этих картинах показано сечение и ориентация пучка падающего корректирующего белого света. На рис. 3.7а, видно, что до процесса термокоррекции оптические искажения поверхности исследуемого тонкопленочного зеркала имеют форму седла (астигматизм). При освещении этой поверхности заданным распределением интенсивности белого света имевший место локальный астигматизм почти исчезал, и поверхность пленки в данной области принимала форму, близкую к сферической, что демонстрирует рисунок 3.7Ь.
Чтобы показать степень компенсации астигматизма, проводилась обработка интерферограмм до и после процесса термокоррекции. Графики их расшифровки и результаты расчета кривизн в главных сечениях астигматизма, приведены ниже.
В процессе проведения эксперимента выявлено, что до процесса термокоррекции в меридиональном сечении (X) астигматизма имеет место возмущение типа "бугор", а в сагитальном сечении- (Y), возмущение типа "яма" (рис.3.8а). Это устанавливалось по динамике перемещения полос, при легком надавливании на опорное зеркало 3 (см. рис.3.6). После применения процесса термокорреции в меридиональном сечении возникало возмущение типа "яма" (рис.3.8Ь).
Результаты расчетов различия кривизны в главных сечениях астигматизма показали, что до процесса термокоррекции астигматизм, характеризуемый параметром С = 1/Rs-1/Rm , где Rs - радиус кривизны в сагитальном сечении, Rm - радиус кривизны в меридиональном сечении, составлял величину О- = 7.7 10" м", а после процесса термокоррекции, составил Сс = 2.8 10" м" , т.е. астигматизм уменьшился в 2.75 раза.
Таким образом, произведена значительная компенсация астигматизма посредством термической деформации поверхности пленочного зеркала. При этом исследуемая часть зеркала имеет приблизительно сферическую форму с крупномасштабными искажениями.
Данный демонстрационный эксперимент показывает возможность осуществлять частичную компенсацию искажений поверхности тонкопленочного зеркала при помощи специально сформированных пучков света.
