Активная оптика

Акти́вная о́птика — технология поддержки зеркала телескопа-рефлектор в идеальном состоянии за счёт электромеханических манипуляторов (домкратов), которые исправляют форму зеркала для восстановления его геометрически правильной поверхности.

Активное главное зеркало либо сегментировано, либо изготавливается из единой плавно деформируемой пластины. Гибкие и особенно сегментированные зеркала позволяют создавать телескопы эффективного диаметра, как наземного, так и космического базирования.

Значимость

С появлением системы активной оптики значительно снизилось требование к зеркалам телескопа, что позволило создавать телескопы с большим диаметром зеркала, причём затраты на изготовление зеркала для телескопа с активной оптикой значительно снизились.

Активный оптический элемент устраняет искажения, вызванные изменением формы поверхности большого зеркала, вносящие в волновой фронт приходящего света искажения входящего и выходящего пучка.

Кроме того, появилась возможность создавать не монолитное зеркало, производство и транспортировка которого к месту дислокации обходится дорого, а состоящее из сегментов сборное зеркало. Масса сегментированного зеркала значительно меньше по сравнению с монолитным. К преимуществам сегментированных зеркал относятся:

• простота замены сегментов;
• отсутствие механической перекрестной связи между сегментами зеркала;
• неограниченная апертура за счет возможности добавления дополнительных сегментов.

При этом, зазоры между сегментами зеркала практически не оказывает влияние на качество изображения, если их суммарная площадь не превышает 1 % от общей площади зеркала.

Благодаря использованию активной и адаптивной оптики наземные телескопы по качеству изображения становятся сравнимыми с космическими телескопами, в то время как их изготовление и обслуживание обходится дешевле.

Технология

Актуаторы активной оптики Большого Канарского телескопа.

Метод адаптивной оптики состоит в исправлении формы зеркала посредством большого количества стержней (актуаторов), воздействующих на заднюю поверхность зеркала. Активным элементом является само входное зеркало, которое конструируется таким образом, что способно под влиянием управляющих сигналов изменять свою форму и тем самым вносить требуемые изменения в волновой фронт.

Активные входные зеркала чаще всего применяют для устранения влияния на волновой фронт тепловых, механических (деформации), инерционных и других возможных эффектов, возникающих в самих входных зеркалах.

Отличие от адаптивной оптики

Обычно термин «активная оптика» используется как общий термин, относящийся к любым оптическим компонентам и системам, характеристики которых регулируются в процессе функционирования. Термин «адаптивная оптика» свидетельствует об обязательном наличии замкнутого контура управления, в состав которого, помимо собственно адаптивного зеркала с механизмами изменения его формы, входит датчик волнового фронта, вычислительная и управляющая система.

Единственным различием между активной и адаптивной оптикой является полоса пропускания системы регулирования: к активной оптике относят системы с медленной коррекцией, к адаптивной — быстродействующие системы.

Схема системы активной оптики, применяемой на Европейской южной обсерватории.

Активная и адаптивная оптика дополняют друг друга: их объединяет общая идея — устранение нерегулярных искажений, возникающих при распространении излучения в неоднородной среде посредством управляемых оптических элементов. В отличие от пассивной оптики с фиксированными предварительно отполированными профилями поверхности, активная и адаптивная оптика может быть деформирована для соответствия различным экспериментальным задачам.

Применение

Методы и средства активной оптики используются для телескопов видимого, инфракрасного, субмиллиметрового, рентгеновского и радиодиапазона, и начинают распространяться и на другие объекты, обладающие гибкой конструкцией и требующей активной коррекции формы. Так, в новой конструкции 100-метровой антенны радиотелескопа (США), построенного взамен внезапно разрушившейся в 1989 году, антенны, используются 2000 актуаторов для управления алюминиевыми пластинами антенны с диапазоном смещений 1 см и точностью, позволяющей телескопу работать на длине волны до 3 мм. Элементы активной оптики предполагается применить также для поддержания формы и компенсации вибраций длинных гибких ферм и конструкций, развёртываемых в космосе, в том числе стержневых монтажно-опорных труб космических телескопов и интерферометров.

Телескопы с активной оптикой

Телескоп NTT (New Technology Telescope), базирующийся в обсерватории Ла-Силья, на момент ввода в эксплуатацию в 1989 году стал прорывом в мире астрономических инструментов за счёт использования системы активной оптики. С тыльной стороны зеркала было вмонтировано 75 электромеханических микроприводов — актуаторов, для изменения кривизны поверхности зеркала в микроскопических масштабах. Подобным способом удается компенсировать искажения формы поверхности зеркала, вызываемые сравнительно медленно меняющимися факторами: температурными деформациями и прогибами из-за переменной ориентации силы тяжести при различных положениях зеркала.

Зеркало с активной оптикой для телескопа NTT в обсерватории Ла-Силья (Чили).

Все современные телескопы диаметром зеркала 8-10 м оснащены подобной системой. В качестве примера, система активной оптики используется в системе из четырёх телескопов — Очень большой телескоп (Very Large Telescope, VLT) Паранальской обсерватории, входящей в состав Европейской южной обсерватории. Активный элемент, управляя формой основного зеркала, позволяет компенсировать влияние температурной деформации и искривление зеркала под действием силы тяжести, для чего под каждым из больших зеркал располагаются 150 приводов.

Впервые система активной оптики для космических телескопов была применена у телескопа «Джеймс Уэбб».

Активные зеркала применяются также в оптических трактах с высокоэнергетическим лазером для компенсации аберраций, возникающих в различных зеркалах, на трассе прохождения высокоэнергетического пучка вследствие термодеформаций, угловой нестабильности оптики, ошибок юстировки и изготовления.