Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1 11
Интегральные преобразования в оптике . 11
Трёхмерные фильтрующие элементы в оптике. 13
Инструменты для наблюдения объектов с большим различием в яркости 15
Выводы по главе 1: 20
ГЛАВА 2. 22
Критерии выбора оптимальной конструкции внешней затмевающей системы 22
Установка для измерения уровня рассеянного света в тени внешней затмевающей системы коронографа. 26
Измерение зависимости величины рассеянного света от радиуса кривизны экрана . 32
Выводы по главе 2. 40
ГЛАВА 3. 42
Низко отражающие покрытия для нейтральных фильтров. 42
Изготовление радиального фильтра с угловым распределением оптической плотности (ОП) для наблюдений солнечной короны во время затмения. 44
Новые поляризационные элементы 48
Электрооптические фазовые модуляторы для современных солнечных поляриметров. 49
Исследование однородности фазового сдвига по полю электрооптического фазового модулятора. 54
Выводы по главе 3 58
ГЛАВА 4. 59
Общая схема коронографа . 64
Модификация — наземный и космический. 64
Описание оптической системы коронографа с внешним затмением для диапазона расстояний 1.5-6 радиусов Солнца 66
Проблемы коронографических наблюдений. 70
Принципы построения зеркально-линзовых коронографических систем для внеатмосферных наблюдений Солнца 73
Экспедиционный телескоп для наблюдений солнечных затмений. 76
Заключение 80
Список литературы
- Инструменты для наблюдения объектов с большим различием в яркости
- Измерение зависимости величины рассеянного света от радиуса кривизны экрана
- Электрооптические фазовые модуляторы для современных солнечных поляриметров.
- Принципы построения зеркально-линзовых коронографических систем для внеатмосферных наблюдений Солнца
Введение к работе
При наблюдении объекта через оптическую систему всегда стремятся получить максимально полную информацию о нем. Решение этой задачи часто возможно за счет обработки информации физическими методами на этапе прохождения излучения через оптическую систему до фиксации изображения на фотоприемнике. Основным достоинством подобных методов оптической обработки информации является возможность практически мгновенного вычисления результатов умножения и преобразования Фурье комплексных функций одной или нескольких переменных. Класс математических операций, которые могут быть реализованы с использованием преобразования Фурье, оказывается довольно широким и включает в себя операции интегрирования и дифференцирования функций, свертки и корреляции, а также различные интегральные преобразования [1,2].
Для оптических устройств восстановления и преобразования сигналов важно обеспечить не только высокую скорость вычислений, но и минимум дополнительных помех, так как вследствие некорректности задачи восстановления изображения на выходе устройства обработки сигнала происходит неизбежное искажение изображения и усиление шумов. [15,16]
Одним из существенных источников шумов в оптических системах является светорассеяние на поверхностях и внутренних дефектах прозрачных оптических элементов, на границах оправ и фильтрующих элементов, участвующих в обработке сигналов. Наибольшую актуальность эти вопросы имеют при наблюдении высоко контрастных объектов, где наиболее информативные участки находятся в поле зрения рядом с источниками, имеющими яркость на несколько порядков превышающую доступный динамический диапазон фотоприемников. Цель работы.
Повышение разрешающей способности, расширение динамического диапазона и снижение шумов оптических инструментов с предварительной обработкой
5 информации перед фиксацией изображения на фотоприемнике. Выяснение возможности улучшения параметров инструментов и ее экспериментальная проверка. Задачи исследования.
Анализ объекта исследования с целью учета априорной информации о нём в структуре оптической системы, формирующей его изображение.
Поиск методов улучшения характеристик оптических приборов по разрешающей способности по полю зрения и по величине рассеянного света.
Экспериментальная проверка методов улучшения характеристик оптических приборов с предварительной обработкой информации. Методы исследования
Моделирование прохождения излучения через слоистую поглощающую среду для оптимизации параметров нейтральных фильтров по коэффициенту отражения с целью уменьшения рассеянного света внутри инструмента.
Отработка технологии нанесения покрытий нейтральных фильтров с распределенной оптической плотностью для сужения динамического диапазона яркого контрастного объекта в фокальной плоскости.
Экспериментальное определение зависимости величины рассеянного света в тени экрана в зависимости от его края.
Оптимизация трехмерного фильтрующего элемента, устанавливаемого перед оптической системой по величине рассеянного света, разрешающей способности и линейным габаритам. Научная новизна диссертации.
Экспериментально определено влияние формы края затеняющего экрана на величину рассеянного света в оптической системе.
Предложена методика оптимизации трехмерных фильтрующих оптических элементов с целью повышения разрешающей способности и снижения габаритов оптической системы.
3. Впервые получены и исследованы поляризационные элементы с возможностью получения постоянных фазовых сдвигов на основе электрооптических кристаллов KDP и DKDP. Основные результаты, выносимые на защиту.
На параметры оптической системы можно активно влиять не только прозрачными элементами, но и элементами, ограничивающими световой пучок. Экспериментально определено влияние кривизны края затеняющего экрана на величину рассеянного света за ним. Показано, что при трехкратном изменении кривизны края затеняющего экрана наблюдается 30 % изменение максимальной яркости в изображении рассеивающего края. Показана возможность уменьшения уровня рассеянного света при замене ножевидного края диска (в сечении) на круглый, получено примерно 2-х кратное ослабление интегрального рассеянного света на одном элементе. При трехкратном изменении кривизны края затеняющего экрана наблюдается 30 % изменение максимальной яркости в изображении рассеивающего края.
Разработан новый трехмерный фильтр, оптимизированный по величине интенсивности рассеянного света и разрешающей способности по полю зрения, за счет кривизны формы поверхности края для наблюдения малоконтрастных объектов вблизи яркого паразитного источника света.
Разработаны и экспериментально реализованы поляризационные элементы с возможностью получения постоянных фазовых сдвигов на основе электрооптических кристаллов KDP и DKDP, применяемые на оптических инструментах: токопроводящий слой перенесен с поверхности защитного стекла на поверхность кристалла. Это позволило избавиться от эффекта поляризуемости кристаллических элементов, находящихся между электродами, нанесенными на стеклянные подложки, что, в свою очередь, позволило расширить диапазон рабочих частот в низкочастотную область вплоть до получения постоянных фазовых сдвигов.
Практическая ценность работы.
Методы исследования, приведенные в работе, применимы для разработки соответствующих оптических инструментов с оптимальными характеристиками светорассеяния и увеличенной разрешающей способностью, например, для наблюдения солнечного и звездного ореолов, при наблюдении солнечной короны, при те пловиз ионных измерениях, при наблюдениях около яркого плазменного факела.
Результаты, полученные при разработке электрооптических элементов, позволяют получать образцы с улучшенными характеристиками по электрической прочности и расширенным диапазоном рабочих частот вплоть до постоянных фазовых сдвигов.
Разработаны методики для решения следующих технологических задач:
нанесение низко отражающих покрытий, оптимизированных для нейтральных фильтров с распределенной оптической плотностью для компенсации яркости солнечной короны в фокальной плоскости.
магнетронное распыление материалов с целью получения просветляющих и токопроводящих покрытий кристаллов, при температуре подложки во время распыления не выше 250 градусов Цельсия.
изготовление и исследование электрооптических модуляторов с возможностью получения постоянных фазовых сдвигов на основе электрооптических кристаллов KDP, DKDP.
Апробация работы.
Результаты, полученные в настоящей диссертации, представлялись на следующих научных мероприятиях:
Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ, Иркутск, 1999, 2003);
Asia-Pacific Conference on Fundamental Problem of Opto- and Microelectronics. (Владивосток, 2000; Хабаровск, 2004)4
конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности» (Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2003);
IV региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. (Владивосток. ИАПУ ДВО РАН. 2000);
Всероссийской астрономическойя конференции.(СПб.:НИИХ СПбГУ, 2001);
семинаре «Магнитные поля и трехмерная структура солнечной атмосферы» (Иркутск: ИСЗФ СО РАН 2003).
на научных семинарах и рабочих совещаниях Самарского филиала ФИАН, Иркутского Государственного университета, Иркутского Государственного Технического Университета, Института Солнечно-Земной Физики СО РАН, Иркутского Государственного Педагогического Университета и Иркутском городском семинаре «Физика наукоемких технологий». Публикации
Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 14 печатных работах, включая 2 патента П*-14*] Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 91 странице печатного текста, включая 34 рисунка, 3 таблицы, списка литературы, содержащего 103 наименования.
Во введении обоснованы цель работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы защищаемые положения и приведены данные по апробации полученных результатов.
В первой главе проводится обзор современного общего состояния проблемы наблюдения малоконтрастных объектов вблизи яркого мешающего источника излучения. Описаны инструменты и области проведения таких наблюдений. В качестве основного примера рассматривается коронограф с внешним затмением (КВЗ). Рассмотрены специфические особенности объектов наблюдения, возникающие проблемы и современные методы их решения. Обозначены перспективы использования в оптических преобразованиях трех мерных оптических элементов
Во второй главе диссертационной приведены результаты по исследованию
возможностей улучшения внешнего пространственного фильтра, установленного
перед оптической системой, выделяющего информативные мало контрастные
участки изображения. Проведено численное моделирование влияния изменения
зрачковой функции идеального объектива на функцию рассеяния точки и
распределение освещенности по полю зрения. Приведен алгоритм расчета
величины рассеянного света за затеняющими экранами, моделирующий
современные устройства, отличающийся от описанных ранее в литературе
подобных алгоритмов, использованием приближения некогерентного источника
света. Получены данные о величине рассеянного света за экраном с острым краем
хорошо согласующиеся с экспериментом. Описана установка по измерению
рассеянного света, на которой были проведены эти эксперименты. Показано, что
острый край не является оптимальным для достижения минимума рассеянного
света, и приведены результаты сравнения двух экранов с острым и полукруглым
краями. Приведены экспериментальные данные по зависимости величины
рассеянного света за экраном в зависимости от радиуса кривизны края.
В третьей главе описывается содержание экспериментальных и практических работ проведенных при разработке и производстве инструментов для наблюдения малоконтрастных объектов. В ходе этих работ были разработаны и получены низко отражающие покрытия нейтральных фильтров, используемые для фильтров компенсирующих яркость наблюдаемых объектов для согласования динамического диапазона изображения и фотоприемника. Были изготовлены фильтры с радиальным и угловым распределением оптической плотности для компенсации яркости изображения солнечной короны при наблюдении в момент затмения. В ходе работы были изготовлены электрооптические элементы с возможностью получения постоянных фазовых сдвигов на кристаллах KDP и DKJDP для поляриметрических наблюдений за счет нанесения прозрачного проводящего покрытия непосредственно на кристалл. Для изготовленных элементов проведены экспериментальные работы по определению однородности фазового сдвига по полю зрения
10 Четвертая глава посвящена инструментам их специфике, проблеме по наблюдению солнечной короны. Приведены отличия внезатменных наблюдений солнечной короны от реального затмения, изучение возможности модернизации инструмента путем вынесения фильтра, компенсирующего изменение яркости короны по радиусу из фокальной плоскости в область перед апертурой телескопа. Приведен пример экспедиционного телескопа по наблюдению солнечной короны в момент затмения, который был разработан с использованием результатов проведенных исследований
Инструменты для наблюдения объектов с большим различием в яркости
Под теневыми методами понимается визуализация оптических яеоднородностей за счет введения дополнительной диафрагмы, приводящей к фазовым или амплитудным изменениям части светового пучка, которые вызывают перераспределение освещенности в плоскости изображения, позволяющее судить о характере и некоторых параметрах исследуемой неоднородности. Этой особенностью теневые методы отличаются от способов, основанных на изучении свечения или поглощения света, в которых не ставится никакой дополнительной диафрагмы, и от интерференционных и поляризационных методов в которых фазовые или поляризационные изменения вносятся во весь световой пучок. Изменение освещенности рассматривается в плоскости, сопряженной с плоскостью неоднородности. Как правило, измеряемой величиной является угол отклонения световых лучей в неоднородности, хотя в ряде случаев могут определяться и другие параметры, например сдвиг волнового фронта или его кривизна. Форма диафрагмы, которая вносит амплитудные и фазовые изменения в часть светового пучка, может быть различной: нож Фуко, фазовый нож, криволинейная диафрагма, штриховая решетка и т.д.[39]
Голография - это метод полной точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей. Он может применяться при интерферометрических измерениях. Голограммы сохраняют распределение амплитуд и фаз записываемого поля. На одной и той же голограмме можно одновременно записать два и более волновых фронта (многоэкспозиционная голография). Благодаря этому возможно получить суперпозицию двух или более голографических изображений, между которыми можно восстановить интерференционную картину. Такая голографическая интерферометрия основывается на принципе когерентного сложения комплексных волновых полей. При этом возможно производить усредненные по времени интерферометрические измерения вибрирующих объектов используя непрерывную экспозицию [6-14]. Трёхмерные фильтрующие элементы в оптике. Для интегральных преобразований в оптике обычно используют плоские диафрагмы, маски и др. фильтрующие оптические элементы для правильного учета дифракционных эффектов. Это создает определенные технологические трудности при изготовлении таких элементов. Например, при получении резкой границы в пределах апертуры фильтра накладываются технологические ограничения на минимальную ширину этой границы, а сама толщина элемента при этом не учитывается, что снижает точность согласования расчета и эксперимента [15-18]. При учете влияния на характеристики фильтра его толщины и формы края можно не только упростить технологию фильтрующих элементов, но и получить новые их характеристики и функциональные возможности, не доступные для плоских конструкций.
Во многих плоских фильтрующих оптических элементах (экраны, диафрагмы, бинарные транспаранты, щели) при анализе дифракционных явлений специфические свойства материала дифрагирующего тела обычно не учитываются: тело принимается абсолютно черным (поглощающим). Законы отражения, которые учитывают эти свойства, в анализе дифракционных явлений не используются. В основу теории дифракции полагается принцип Гюйгенса-Френеля, На этой основе световое поле вблизи границы света и тени описывается посредством интегралов Френеля, а поле вблизи каустики - посредством интегралов Эйри [ 19,20].
Для учета дифракционных явлений от протяженных вдоль оптической системы элементов подходят методы асимптотической теории дифракции с соответствующими предельными условиями. Современную асимптотическую теорию дифракции можно определить как приближение к теории Максвелла, пригодное в предельном случае малых длин волн и больших радиусов кривизны дифрагирующих тел. Эта теория имеет свои собственные принципы. Установлен принцип локального поля в области полутени на поверхности выпуклого тела, а также обобщение этого принципа, позволяющее применять его и к области, примыкающей к телу [21]. Имеется приближенная форма предельных условий на поверхности хорошо проводящего тела впервые приведенная в [22, 23]. Условия Леонтовича являются условиями импедансного типа и вытекают из локального характера поля в поверхностном слое проводящего тела. Эти принципы позволяют получить явные выражения для поля вблизи и на самой поверхности хорошо проводящего выпуклого тела произвольной формы. Дальнейшим развитием является введение разных масштабов для горизонтального и вертикального расстояний над проводящим телом. Это позволяет заменить полное волновое уравнение параболическим уравнением, которое имеет вид квантово-механического уравнения Шредингера (или уравнения диффузии с мнимым коэффициентом диффузии), в котором время заменено на горизонтальную координату [24, 25]. Параболическое уравнение позволяет ввести понятие поперечной диффузии амплитуды вдоль волновых фронтов.
Инструменты для наблюдения объектов с большим различием в яркости При обработке экспериментальных данных, в том числе получаемых оптическим способом, могут встречаться проблемы связанные с потерей информации при прямом фиксировании данных [26-33]. Это может быть связано с шумами, несоответствием динамического диапазона сигнала и датчика, недостаточной разрядностью вычислительной системы при экспоненциальной или логарифмической зависимости измеряемой величины и рассчитанного выходного параметра эксперимента [34-39]. Возможно, получение необходимых данных из эксперимента в реальном времени связано с затрачиванием больших вычислительных мощностей. По этому наилучшим вариантом является получение из эксперимента сразу необходимого «параметра» согласованного по динамическому диапазону, интервалу чувствительности и разрядности фиксирующего оборудования [40, 41]. То есть между сигналом и оборудованием должно находиться согласующее устройство с предварительной обработкой информации (рис. 1,1) [42, 43, 44].
Измерение зависимости величины рассеянного света от радиуса кривизны экрана
Относительный поток от диффракционно-рассеянного света может быть определен по формуле: где ид — отсчет вольтметра при закрытой калибровочной диафрагме А5, UOKIU — то же, при открытой калибровочной диафрагме А5, SA5 — площадь изображения калибровочной диафрагмы А5 в фокальной плоскости объектива О2, 8и — площадь изображения источника (диафрагмы А4 на рис. 2.6) в фокальной плоскости объектива С . Диаметры изображений источника и калибровочной диафрагмы составляют соответственно 2.47 и 0.03 мм, т. е. отношение площадей изображений СОСХ1ВЛЯбХ 1.58х10 4.
В результате проведенных измерений были получены значения суммарного потока рассеянного света порядка 3-6x10"4 от интенсивности источника, что согласуется с теоретическими расчетами (порядка 1x10-4 от интенсивности источника) [13]. Можно предположить, что превышение уровня рассеянного света связано с микроскопическими неровностями края "луны" и недостаточной светоизоляцией измерительной установки.
В дальнейшем для измерений были изготовлены два диска с ноже видным и плавным полированным краем с радиусом кривизны 3 мм. Для них были получены сравнительные значения интегральных интенсивностей в области входного зрачка. Резкий край диска обусловливает повышенное рассеяние света в 1.8 раза по сравнению с плавным краем.
При замене фотоумножителя матричным фотоприемником были получены и сравнены изображения двух вариантов края внешних затмевающих дисков: из рис. 2.8 видно, что интенсивность рассеянного света от резкого края значительно больше, чем от плавного.
Поперечный профиль интенсивности изображения рассеивающих краев внешних затмевающих дисков. Сплошной линией показан плавный край, пунктирной резкий.
Выводы рекомендации к диску. Из полученных экспериментальных данных следует, что изменение формы рассеивающего края внешней затмевающей системы может существенно уменьшить интенсивность рассеянного света в области входного зрачка коронографа. Как показывает результат измерений, уменьшение рассеянного света в 1.8 раза на одном диске с радиусом края 3 мм, позволит получить за тремя такими дисками уменьшение рассеянного света в 5.8 раза. При увеличении радиуса края диска возможно дальнейшее улучшение результата. В реальной системе край диска может представлять собой оптимизированную поверхность, с которой линия, соединяющая любые точки источника и объектива, имеет максимальную длину соприкосновения. При этом в точках начала и завершения контакта линия является касательной к поверхности диска. Измерение зависимости величины рассеянного света от радиуса кривизны экрана. Френелевское представление о дифракции волн, первоначально разработанное математически раньше юнговского, получило преобладающее значение. И только значительно позже было показано, что в равных условиях результаты вычислений методом Френеля приводятся к форме, предсказанной Юнгом. Френелевский поход встречает затруднения, когда не удается заранее, хотя бы приближенно угадать распределение вторичных источников на граничных поверхностях. Это относится, например, к дифракции волн в поглощающую поверхность при распространении волн вдоль неё или к огибанию волнами плавно выпуклого препятствия. Собственно с классическими задачами такого рода о распространении электромагнитных волн вдоль поверхности земли М.А. Леонтовичем и В.А. Фоком в 1944-46 началось интенсивное развитие юнговского подхода, что привело к существенному обогащению современных представлений о дифракции.
По законам геометрической оптики распространение в каждой лучевой трубке происходит независимо. При этом лучевая амплитуда (величина, квадрат модуля которой пропорционален потоку энергии вдоль трубки), сохраняя постоянное значение вдоль каждой лучевой трубки, может быть отлична от нуля в одних трубках и равна нулю в смежных, что соответствует наличию резкой границы геометрической тени. Дифракция в первом приближении представляет собой эффект поперечной диффузии лучевой амплитуды из одних лучевых трубок в смежные по фронтам распространяющихся волн.
Чтобы получить на основе такого представления все результаты упрощенной френелевской теории дифракции волн за отверстиями произвольной формы в плоском экране для малых углов дифракции, достаточно рассмотреть явления поперечной диффузии амплитуды по фронтам приблизительно плоских волн. Если подставить выражение приблизительно плоской волны u = A(x,y,z)xexp[-i(a t-kz)], распространяющейся в направлении z, в волновое уравнение д2и/діг =с2Аи, то для плавно изменяющейся амплитуды А получается уравнение
Электрооптические фазовые модуляторы для современных солнечных поляриметров.
Речь идет о модернизации электрооптического фазового модулятора на продольном электрооптическом эффекте. В качестве рабочего элемента использована пластина Z - среза кристалла DKDP или KDP. В модуляторах предыдущих конструкций прозрачные электроды наносились на защитные стёкла, которые приклеивались, прижимались, держались на капиллярном слое иммерсии. В итоге нескольких этапов модернизации сформировалась конструкция, в которой кристалл находился в иммерсии между защитными стеклами с прозрачными электродами в герметичном корпусе. Такая конструкция работоспособна не более 5 или 8 лет, при выходе её из строя, это возможно при вытекании иммерсии, работоспособность модулятора восстанавливается после простой переборки корпуса и т.д. При появлении современных многоканальных приемников излучения (линейки фотодиодов, ПЗС матрицы) рабочая частота переключения электрооптических элементов упала на 3 порядка с единиц кило герц до единиц герц. На такой частоте электрооптические модуляторы на кристаллах DKDP не работают. При подаче на электроды постоянного напряжения на границах раздела между кристаллом и иммерсией скапливаются заряды, возникает внутренне поле в кристалле, которое компенсирует приложенное поле электродов, так называемая поляризуемость [101]. Этот эффект проявляется на низких частотах, и зависит от расстояния между кристаллом и электродом [102]. При этом всеми имеющимися до последнего времени способами невозможно было получить токопроводящий слой непосредственно на поверхности кристалла. Во всех случаях температура нанесения прозрачных токопроводящих покрытий была выше температуры сублимации кристалла.
После изучения имеющихся технологий получения прозрачных токопроводящих покрытий, изготовления магнетронного испарителя с источником питания и определения оптимальных параметров испарения металлической мишени «холодная» технология была разработана.
После решения таких проблем, как крепление электродов к поверхности кристалла и эластичного соединения кристалла с защитными стеклами (для склеивания в окончательном варианте использовался прозрачный эластичный герметик "Виксинит ПК-68", изготовленный в ТНИИХТЭОС) первый модулятор был собран. При испытаниях новый модулятор показал одинаковый фазовый сдвиг при одинаковой амплитуде постоянного и переменного напряжения. Это показывает что эффект поляризации кристалла отсутствует. Модулятор может давать постоянные во времени фазовые сдвиги, это так же видно при экспериментах.
Одной из важных задач в настоящее время является сравнение характеристик модуляторов для выбора оптимального варианта для использования в обсерваториях.
Были исследованы жидкокристаллические модуляторы Medowlark Optics на возможность использования их в качестве модулирующего элемента в схеме вектор-магнитографа. Тестировались модуляторы в стандартной схеме со скрещенными поляризаторами в длине волны 5250А. Проверялись как статические, так и динамические характеристики. Основной статической характеристикой является глубина модуляции кристалла. Естественно, за основные точки модуляции были приняты нулевое, четвертьволновое и полуволновое дву лучепреломления. Наибольшая глубина получилась при модуляции Х/2-0 - это около 99.6%. При модуляции О- А/4 и XI4-У2 параметр получился несколько хуже - 94.5%, не исключено, что такое снижение связано с установкой дополнительной измерительной Х/4-пластинки и ошибками в ее юстировке.
Для оценки динамических свойств кристалла на него подавались напряжения соответствующие попарным комбинациям выше упомянутых состояний с частотой 25 Гц. Тут необходимо отметить, что каждый экземпляр кристалла имеет свою индивидуальную передаточную весьма нелинейную характеристику. Так для образца #01-344 напряжения для состояний 0, А/4, А/2 соответствуют 4960, 2610 и 1950 милливольтам при температуре 20С. Принципиальной особенностью жидких кристаллов является то, что скорость изменения состояния тем больше чем значительнее перепад напряжения во время смены состояния, при этом, она выше, когда напряжение нарастает. В соответствии с ЭТИМ были получены следующие времена переключений: Х/2—»0 - 4 ms, 0— У2 - 22 ms, 0-»АУ4 - 4 ms, V4-»0 - 8 ms, Ш- УА - 20ms и А/4-»А/2 - 22ms. Если на спадах напряжения применять форсировки напряжением (кратковременное его снижение до 0) то большие времена на спадах могут быть улучшены в несколько раз.
К «плюсам» данного типа модуляторов можно отнести удобство управления низким напряжением и хорошую глубину модуляции. К «минусам» же - высокую нелинейность и индивидуальность передаточной характеристики и ее зависимости от температуры. Динамические свойства не столь выдающиеся, но вполне удовлетворительны для работы с ПЗС матрицей.
В такой же схеме оптического затвора был исследован опытный образец нового модулятора. В первую очередь было выяснено, что нанесение токопроводящих прозрачных электродов позволило избавиться от эффекта электрической поляризуемости кристалла, то есть модулятор дает одинаковые фазовые сдвиги при одинаковом значении постоянного напряжения и амплитуды переменного. Эксперимент показал, что конструкция модулятора позволяет получать фазовые сдвиги в полволны и более. При этом характеристики работы в области высоких частот не изменяются. Эксперименты позволяют предположить, что данная конструкция модулятора может использовать в самом широком спектре задач. Это является большим преимуществом перед жидкокристаллическим модулятором. Оптические характеристики и глубина модуляции электрооптического затвора на кристалле соответствует жидкокристаллическому затвору и в большей степени зависят от используемых в затворе поляроидов, толщины кристалла и углового поля оптической системы. Например, для получения контраста 1:100 при расходимости конуса света в пределах 2 толщина кристалла составляет 0.7 мм.[97], т.е. угловое поле в определенной степени можно регулировать толщиной электрооптического кристалла.
Принципы построения зеркально-линзовых коронографических систем для внеатмосферных наблюдений Солнца
Наземные наблюдения солнечной короны проводят чаще всего в моменты полных солнечных затмений. Для этого в основном применяют мобильные экспедиционные телескопы. Основной задачей телескопа является получение снимков белой короны для исследования структуры коронарных стримеров до расстояния 5-6 R0. Сопоставление структуры стримеров с фотосферными магнитными полями, с корональными дырами, направлено на выявление природы стримеров и их связи с гелиосферными токовыми структурами [90-92].
Параллельной задачей является изучение тонкой структуры корональных образований (стримеров, лупсов, полярных лучей (plums)) в нижней корона на расстоянии 1-2 R0. Ясно, что тонкая структура является проявлением процессов, играющих фундаментальную роль в физике солнечной атмосферы. Наблюдения с высоким пространственным разрешением [93] показывает, что корона является высокоструктурированной с фактором заполнения 10" . В корональной плазме магнитная энергия доминирует над кинетической и формирование тонкой структуры в области высот до 2 R0, возможно определяет всю токую структуру на высотах более 2 R. Здесь же, вибрация силовых линий магнитного поля может играть доминирующую роль в нагреве корональной плазмы. Теоретические расчеты [94] показали, что МГД (магнитогидродинамические) волны с частотой выше 0.1 Hz могут переносить достаточно энергии требуемой для нагрева короны. Экспериментальные исследования высокочастотных колебаний по наблюдениям короны во время затмения [95] обнаруживают повышенную мощность колебаний на частотах 0.25-2.0 Hz
Для проведения наблюдений солнечной короны во время затмения 1999 разработан и изготовлен телескоп с радиальным фильтром (R-фильтром) и вращающимся поляризатором (рис. 4.12). С этим инструментом планировалось получить снимки белой короны и поляризационные измерения (К-короны).
Объектив телескопа, построенный по схеме дублета, содержит два ахроматических двухлинзовых компонента положительной оптической силы. Их диаметры 120 и 100 мм. Поверхность одного из компонентов ретуширована для уменьшения остаточной сферической аберрации. Фокусное расстояние объектива 1200 мм. Теоретическое разрешение объектива в видимом диапазоне постоянно по полю 4 угловых градуса и не хуже 5 угловых секунд.
Радиальный фильтр установлен в фокальной плоскости объектива на расстоянии 2-3 мм от плоскости аэрокинопленки шириной 80 мм. Минимальный коэффициент отражения фильтра 5%. Возможно, использовать неосесимметричный R-фильтр, у которого плотность изменяется не только по радиусу (на 4 порядка) но и по азимуту. Для изготовления такого фильтра необходим прогноз расщепления по широте относительной яркости короны (стримеров и полярных щеточек). Вышеизложенные представления о структуре короны могут быть полезны при его изготовлении.
Вращающийся поляризатор устанавливается перед R-фильтром. Таким образом, труба телескопа содержит (по ходу луча): затвор, объектив, поляризатор, R-фильтр и автоматическую фотокамеру. На трубе телескопа установлен гид. Подобная труба с целостатом хорошо зарекомендовала себя при наблюдении на затмении 1997 г. в п. Ерофей Павлович.
Для уменьшения габаритов, зеркало целостата присоединено к трубе телескопа по схеме полярного сидеростата (рис. 4.13). Слежение за Солнцем осуществляется вращением трубы телескопа вместе с зеркалом вокруг оси трубы, направленной на полюс мира. Конструкция, несущая подшипники вращения трубы и часовой привод с шаговым двигателем, устанавливается на двух штативах или специальной платформе.
Телескоп удобно выставлять по полярной звезде. Вращение поля зрения в такой конструкции не происходит. Поляризационная матрица телескопа практически не изменяется в течение суток.
Для проработки на негативе одновременно внутренней и внешней короны необходим динамический диапазон фотоматериалов порядка 10000. Имеющиеся фотопленки перекрывают максимальное отношение яркости около 500. Поэтому выполняется несколько снимков короны с разными экспозициями для внутренней и внешней короны отдельно. При съёмке затмений изготавливаются и применяются фильтры, сужающие динамический диапазон деталей короны до величины, перекрываемой регистрируемым устройством. Чаще всего это -радиальный фильтр, помещённый в фокальной плоскости телескопа. К затмению 9-го марта 1997 года был изготовлен новый специализированный инструмент для съёмок полных солнечных затмений. Для него потребовался радиальный фильтр с другими характеристиками распределения оптической плотности и малым коэффициентом отражения. Поэтому перед получением необходимой кривой пропускания были проведены исследования по вопросу снижения коэффициента отражения от металлического слоя. Для этой цели были использованы программы построения спектральных характеристик многослойных интерференционных покрытий, в которых к основному модулю были дописаны новые процедуры, позволяющие вычислять коэффициенты отражения и пропускания с учётом поглощения в слоях.
В итоговой конструкции фильтра кривую пропускания формирует слой железа, граница раздела: стекло - железо просветляется слоем вольфрама. В этом покрытии из-за низкой дисперсии показателей преломления вольфрама и железа и их равенство табличным значениям получено совпадение прогиба практической кривой отражения с теоретической .минимальный коэффициент отражения на лучшем образце составлял 5% (теоретический коэффициент отражения 4%). На длинах волн 400-800 нм. коэффициент отражения в краях диапазона не превышал 12%.
