Оптическая схема

В конструкции панорамного фотометра-поляриметра, разработанного и изготовленного в САО РАН, учтены перечисленные выше особенности КЧД и специфика исследований слабых быстропеременных объектов. Потоки квантов от этих объектов одновременно регистрируются в четырех цветовых полосах и четырех ориентациях плоскости поляризации, что позволяет повысить суммарную квантовую эффективность системы регистрации и обеспечивает возможность синхронного анализа быстропротекающих процессов. Кроме того, одновременно с исследуемым объектом регистрируются потоки квантов от звезды сравнения, изображения которой строятся на катодах КЧД в четырех цветовых полосах. Учитывая малое поле зрения детектора и опасность его пересветки от чрезмерно яркого источника, мы встроили в фотометр- поляриметр TV CCD подсмотр звездного поля, что существенно упрощает процедуру проведения астрофизических наблюдений.

Панорамный фотометр поляриметр мы разработали в двух модификациях: как широкопольный фотометр-поляриметр и как многоканальный. Первый широкопольный (регистрируемое поле 1'), предназначен для поиска и исследования предельно слабых источников в последовательно устанавливаемых оптических фильтрах U, B, V, R, с вводимым в оптический пучек и поворачиваемым на 45 градусов анализатором линейной поляризации, второй - многоцветный фотометр-поляриметр используется для регистрации потоков фотоотсчетов от исследуемого объекта и звезды сравнения в 4-х цветовых полосах и до 4-х направлений плоскости поляризации одновременно. В нем формируются два поля изображений, диаметром по 10'', одно из которых находится на оптической оси телескопа и в него заводится исследуемый объект, второе поле, предназначенное для регистрации потока квантов от звезды сравнения. Его можно перемещать по звездному полю в радиальном и тангенциальном направлениях. В обоих модификациях фотометра используется одни и те же КЧД, TV CCD с объективом переброса и единая система регистрации потока фотоотсчетов и видеокадров.

Широкопольный фотометр-поляриметр

Широкопольный фотометр-поляриметр схематически изображен на рис. 1.

Рисунок: Оптическая схема широкопольного варианта фотометра-поляриметра. При исследовании слабосветящихся объектов в фокальной плоскости может устанавливаться щель, исключающая наложение поляризационных изображений исследуемой звезды друг на друга.

Он позволяет измерять линейную поляризацию излучения путем введения линейного анализатора в оптический пучек и последовательного выполнения экспозиций с поворотом анализатора. Оптическая схема этого фотометра-поляриметра близка к схеме, предложенной Эманом (1941), см. также Hiltner (1962). Основное отличие заключается в замене призмы Волластона на пластину Савара - Savart, (1840), Born & Wolf (1964), разводящая изображения на 0.6 мм, что соответствует 7'' в фокальной плоскости телескопа. Применение пластины Савара обеспечивает возможность исключить из схемы все оптические элементы между зеркалом телескопа и анализатором и построить с помощью одного объектива в одной плоскости два наложенные друг на друга линейно поляризованные изображения звездного поля. Идею использовать пластину Савара предложил Г.А.Чунтонов. Некоторым недостатком такой оптической схемы является сложение фоновых излучений в обоих поляризациях, но оно не существенно при изучении ярких точечных объектов на фоне ночного неба, а для анализа слабосветящихся источников в фокальной плоскости телескопа может быть установлена щелевая диафрагма, шириной те же ~0.6 мм, которая позволяет получать полосовые изображения раздельно, на соседних участках фотокатода КЧД. Нужная ориентация этой щели для захвата звезды сравнения на звездном поле устанавливается с помощью поворотного стола телескопа.

Для того, чтобы с помощью фотометра- поляриметра определить три параметра Стокса - I, Q и V, описывающих линейную поляризацию, анализатор может поворачиваться на 45 градусов и занимать два фиксированные положения с ориентацией +/- 22.5 градуса от направления щелевой диафрагмы.

Математическая значений нормированных параметров Стокса, вычисляемых по потокам квантов, регистрируемых фотометром-поляриметром от исследуемых объектов, может быть выражена формулами, см., например, книги W.A. Shurkliff (1962) и A.Gerrard & J.M.Burch (1975):

I = E(0) + E(90)

Q/I = E(0) - E(90)

I' = E(45) + E(135)

U/I' = E(45) - E(135)

где E(0) и E(90) - интенсивности потоков квантов от исследуемого объекта, зарегистрированных в двух взаимно перпендикулярных направлениях вектора поляризации двухлучевого анализатора, E(45) и У(135) - такие же интенсивности, измеренные после поворота анализатора на 45 градусов. Общую интенсивность потока регистрации квантов можно рассматривать как Isum = I + I'.

Широкопольный фотометр-поляриметр выполнен в виде короба, с размещенной внутри турелью светофильтров, вводимыми на оптическую ось диагональным зеркалом переброса изображения звездного поля на TV CCD камеру и линейным поляризатором, работающем в конусном пучке, построенном зеркалом телескопа. Ультрафиолетово прозрачный объектив построения изображения на катоде КЧД находится на оптической оси телескопа после поляризатора. Он увеличивает масштаб в соотношении 1/3, приводя угловое разрешение КЧД в соответствие с размерами изображения звезд. Перед плоской поверхностью входного окна PSD на оптическом контакте с ним находится линза, расчитанная, как составная часть оптической схемы объектива, выравнивающая оптические пути лучей по всему полю выпуклого фотокатода для обеспечения приемлемой фокусировки изображения. Юстировка фотометра-поляриметра выполнена с введенным в пучек поляризатором. При его удалении для работы в фотометрическом режиме перефокусировка оптической схемы выполняется путем осевого перемещения всего фотометра кинематикой телескопа.

В фотометре-поляриметре минимизированы суммарная толщина пропускающих элементов и количество отражающих поверхностей, которые просветлены для максимизации величины потока фотоотсчетов от КЧД.

Во время выполнения наблюдений с помощью КЧД некоторую проблему составляет накопление так называемого плоского поля. Эта процедура требует значительного времени и по ряду причин ее трудно выполнять путем наведения телескопа на фон неба с расфокусированной оптикой. Поэтому мы используем равномерную посветку синим, зеленым или красным светодиодом, белого экрана на внутренней поверхности крышки фотометра, закрываемой на время записи потока плоского поля в синем, зеленом и красном цветах. Отношение размера экрана к удалению его от объектива соответствует аппертуре телескопа. Качество получаемого таким образом плоского поля вполне соответствует его назначению.

Для обеспечения возможности математической компенсации пространстенных искажений поля зрения КЧД в фотометре-поляриметре с помощью подвижного диагонального зеркальца предусмотрена установка так называемого ``реперного поля'' - набора освещенных сзади маленьких, равномерно расположенных отверстий.

Для идентификации исследуемого объекта и точной установки его в окно регистрации потока квантов мы используем подсмотр поля изображения на основе специально адаптированной TV CCD камеры.

TV CCD камера смонтирована на объективе переброса, уменьшающего масштаб изображения в 3 раза для более выгодного соответствия размера изображений звезд размерам пиксел камеры. Эффективное относительное отверстие телескопа при этом становится порядка 1/1.3. Адаптация TV CCD камеры заключалась в обеспечении возможности программно устанавливать длительное время накопления изображения, вплоть до 1000 сек и устанавливать диапазон измерения зарядов, получаемых в пикселах. При этом TV CCD камера достигает паспортной квантовой эффективности, порядка 30%, и вполне может быть использована для целей обзора звездного поля и наведения каналов регистрации фотометра-поляриметра на исследуемый объект и звезду сравнения. Световой пучек подается на него при установке диагонального зеркала на оптическую ось фотометра-поляриметра. Оба объектива переброса изображения из фокальной плоскости телескопа на TV CCD камеру и на катод PSD имеют апертуры, достаточные для того, чтобы пропускать световые пучки в телесном угле всего изображения на TV CCD или PSD, соответственно, так что не требуется использование линзы поля.

Многоцветный панорамный фотометр-поляриметр

Многоцветный фотометр-поляриметр регистрирует потоки только от исследуемого объекта и звезды сравнения с их ближайшими окрестностями. 

Рисунок 2: Оптическая схема. O1, O2, O3, O4 пучки света от исследуемого объекта с различными ориентациями плоскостей поляризации в цветовых полосах U,B,V,R, S пучек света от звезды сравнения; FS звезда в поле подсмотра.

Свет от исследуемого объекта разлагается поляризационным блоком на 4 компоненты с различными ориентациями плоскости поляризации. Световые пучки от исследуемого объекта и звезды сравнения проходят через дихроичные фильтры и регистрируются с помощью двух КЧД, один из которых оптимизирован для прима синих квантов, а второй красных. В результате свет регистрируется в 4 цветовых полосах U, B, V, R.

Математический формализм работы анализатора поляризации в этом многоцветном фотометре- поляриметре аналогичен, тому, который используется в описанном выше широкопольном фотометре- поляриметре, с тем отличием, что вместо поворота поляризационного блока на 45 градусов используется полуволновая фазовращательная пластина, ``быстрая ось'' которой наклонена под углом 22.5 градусов к плоскости вертикальной поляризации основного анализатора. Эта пластина обеспечивает поворот на 45 градусов плоскости поляризации светового пучка, проходящего через нее, см., например, книгу A.Gerrard & J.M.Burch (1975). В таком случае, при последовательных измерениях интенсивностей потоков, разлагаемых линейным поляризатором на ортогональные компоненты с возможностью предварительного поворота фазы пучка на 45 градусов, оптическая схема поляризационного блока становится аналогичной описанной выше. Однако у нее есть дополнительное положительное свойство, заключающееся в возможности введения фазовращательной пластины на половину сечения оптического пучка. Это позволяет выполнять измерение трех параметров Стокса одновременно, что может оказаться полезным при изучении нестационарных процессов. Некоторая возможная неточность деления оптического пучка пополам не оказывает существенного влияния на точность измерения, так как в выражения (1) для Q/I и U/I' входят свои индивидуальные определения нормировочных интенсивностей I и I'. Подобный принцип одновременного определения 3-х параметров Стокса с делением интегрального потока на две части, но в другом схемном решении используется в поляриметре Giro & Pernechele (2001), построенном на двойной призме Волластона, Oliva, (1997).

Оптическая схема описываемого варианта фотометра-поляриметра ближе к классической схеме, предложенной Эманом (1941), чем схема широкопольного фотометра-поляриметра, так как поляризационный блок установлен в параллельном пучке между коллиматором и объективом. Опишем ее несколько подробнее.

Разложение интегрального пучка света выполняется с помощью вводимого в него поляризационного блока, показанного на рисунке 3, основу которого составляет призма Волластона, разводящая ортогонально поляризованные пучки на +/- 3 градуса от главной оптической оси фотометра поляриметра, совпадающей с оптической осью телескопа. Коллиматор формирует параллельный пучек от точечного источника, находящегося в фокальной плоскости телескопа. Размер ахроматического объектива достаточен для перехвата всего светового пучка, идущего из апертурной диафрагмы, диаметром 10'' и поэтому не требуется применение линзы поля.

Рисунок: Схематическое изображение компонент поляризационного блока в двух проекциях. Правая пластина призма Волластона, средняя - полуволновая фазовращательная пластина, левая - оптический клин.

Половину поверхности линейного поляризатора закрывает полуволновая фазовращательная пластина, ``быстрая ось'' которой установлена под углом 22.5 градуса к плоскости проекции верхней части рисунка. Тонкий оптический клин служит для отвода пучков света, проходящих через фазовращательную пластину, на 6 градусов от оптической оси фотометра. Этот поляризационный блок, в соответствии режимом выполняемой работы, может занимать 4 фиксированных положения по отношению к оси оптического пучка, показанных на рис. 3 цифрами от 1до 4:

1. блок вне оптического пучка - режим фотометрии;
2. пучек пропускается только через линейный поляризатор - режим измерения поляризации в состоянии 0-90;
3. половина площади сечения пучка проходит через линейный поляризатор, а вторая половина сначала через полуволновую фазовращательную пластину с оптическим клином, а потом поляризатор - режим одновременного измерения поляризации в состоянии 0-45-90-135;
4. пучек полностью пропускается через фазовращательную пластину и поляризатор - режим измерения поляризации в состоянии 45-135 .

Если поляризационный блок вводится в пучек только одной пластиной или всем пакетом полностью - положения 2 и 3, то в результате на фотокатоде получаются двойственные изображения звезды во взаимно перпендикулярных поляризациях, ориентированных компланарно и ортогонально плоскости верхнего рисунка или те же два изображения звезды, с плоскостями поляризации, повернутыми под углом 45 градусов к той же плоскости рисунка и смещенными на 6 градусов относительно первых изображений. Введение поляризатора в пучек до касания краем пакета из фазовращательной пластины и клина оси светового пучка (положение 3) обеспечивает получение сразу всех 4-х изображений звезды в углах квадрата, с набором из 4-х плоскостей поляризации, покрывающими угол от 0 до 135 градусов с шагом 45 градусов.

Для заведения в канал регистрации пучка света от звезды сравнения, используется призменно-линзовая оптическая система - перископ, схематическое изображение которого показано на рис. 4.

Рисунок: Оптическая схема перископа.

Перископ позволяет стандартно размещать изображение звезды сравнения в одном и том же месте на катоде детектора, независимо от радиального удаления ее от исследуемого объекта в пределах до 3'. Возможность обеспечения постоянного положения звезды сравнения на катоде, независимо от фактического удаления ее от исследуемого объекта, обеспечена тем, что фокальная плоскость коллиматора перископа при его радиальном перемещении совместно с подвижным блоком перебрасывающих призм, совпадает с фокальной плоскостью телескопа и, поэтому, в неподвижную часть перископа всегда попадает параллельный оптический пучек, выходящий их него под главной оптической осью фотометра под поляризационным блоком. Тангенциальное несовпадение положения звезды сравнения и входной апертуры перископа относительно оси телескопа устраняется вращением всего фотометра-поляриметра вокруг этой оси с помощью поворотного стола, перпендикулярно фокальной плоскости телескопа. Несколько большие потери света в перископе, по сравнению с более простой оптической схемой формирования изображений исследуемого объекта не являются критическими, так как зачастую в поле, диаметром 3' можно выбрать более яркие звезды, чем исследуемый объект, а с другой стороны, каждое изображение исследуемого объекта само является ослабленным из-за деления потока света на поляризационные компоненты.

Параллельные световые пучки от исследуемого объекта и звезды сравнения попадают на набор дихроичных фильтров, отражающие эти пучки радиально в направлении выпуклых сферических поверхностей фотокатодов КЧД, далее проходят через находящиеся за ними коллективные ахроматические объективы камер КЧД, фокусирующие конечные изображения на поверхностях катодов. Оптическая схема блока дихроичных фильтров показана на рис. 5.

Рисунок: Блок дихроичных фильтров с коллективными объективами.

Фокусные расстояния этих объективов в 3 раза больше, чем у входных объективов, что обеспечивает увеличение масштаба в 3 раза, по отношению к изображению в фокальной плоскости телескопа и делает его соответствующим пространственному разрешению детектора. Применение объективов большого диаметра, существенно большего, чем диаметры фокусируемых пучков, позволяет использовать один такой объектив для фокусировки сразу десяти пучков, вместо 10 отдельных объективов и в результате в фотометре-поляриметре достаточно использовать 2 таких объектива вместо 20. Эти коллективные объективы тождественны индивидуальным объективам для каждого луча, но собранным вместе и с добавлением своего оптического клина каждому такому объективу, благодаря которому угол отражения от дихроичных зеркал можно установить близким к 45 градусам, несмотря на то, что позиционно эти зеркала довольно далеки от оптической оси объективов. Работа с параллельными световыми пучками, даваемыми входными объективами фотометра-поляриметра, позволяет одновременно сфокусировать на выпуклых поверхностях катодов КЧД множественные изображения объекта и звезды сравнения. Использование ахроматических объективов обусловлено необходимостью получить все множественные изображения исследуемого объекта и звезды сравнения на общей выпуклой поверхности каждого фотокатода без внесения дополнительных оптических компонент для компенсации разницы оптического пути в разных цветовых полосах.

Математическое исправление нелинейностей поля зрения фотометра поляриметра также может быть выполнено с помощью ``реперных полей'' проецируемых на катоды КЧД при установке их оптических пучков диагональными зеркалами на коллективные объективы фотометра- поляриметра.