Moderní aspekty kontrolních a justážních metod netradičních optických prvků a soustav

Mgr. Miroslav PECH

Doctoral thesis

Measurement methods and devices used in the project of Pierre Auger Observatory

Abstract:

Cílem předkládané dizertační práce bylo přiblížit několik vybraných témat, kterými se autor zabýval v rámci měřicích a justážních metod na projektu Observatoř Pierre Auger. V první části je popsána nově vyvinutá metoda bezkontaktního měření tvaru velkoplošných reflexních optických členů, kterou autor samostatně vyvinul a odzkoušel na segmentech zrcadel, tvořících optickou část FD teleskopů. Princip celé metody je sice dobře znám, neboť se používal při konstrukci prvních teleskopů, ale zde jsou použity moderní prvky a hlavně nový způsob ovládání a zpracování naměřených dat, čímž se dosáhlo nové využitelnosti a zvýšení přesnosti měření. Ve druhé části je popisováno měření drsnosti optických povrchů. Metoda je založena na měření drsnosti pomocí rozptýleného světla, a to pomocí měřicího systému CASI. Autor pro tento přístroj navrhl a ověřil nové způsoby měření a vytvořil vyhodnocovací program, který zpracovává měřená data na základě teorie uvedené v úvodu kapitoly. Měřicí systém CASI obsahuje základní software, jenž vyhodnocuje naměřený světelný výkon a přepočítává funkci BSDF a dokáže vyhodnotit drsnost povrchu. Není to však univerzální nástroj, který by byl schopen vyhodnotit data z netypických vzorků a netypických způsobů měření. Pro rozšíření možností tohoto zařízení autor vyvinul vyhodnocovací algoritmus zpracovávající surová data z měření světelného výkonu, naměřená systémem CASI. Z těchto dat je schopen vyhodnotit velkou škálu parametrů související s rozptylem na optických površích zmíněných v předešlém textu. Program nejen vyhodnotí tyto parametry, ale také na rozdíl od firemního programu využívá část dat, která nejsou zatíženy chybou, jež je způsobena sekundárními odrazy a nežádoucími rozptyly. Dále měření použil pro kvantifikování rozptylových vlastností různých prvků nejen fluorescenčních detektorů, ale i pozemních detektorů PAO. V další kapitole se autor zabývá svým přístupem k návrhu optického systému části Observatoře Pierre Auger pro LIDAR. Pro tento atmosférický monitorovací systém bylo nutné navrhnout novou optickou část zařízení. Po obecném popisu systému autor popisuje postup návrhu optické plochy, po němž následuje komplexní série měření a simulací, které autor navrhl, naměřil a následně i vyhodnotil. Při uvedených testech autor ověřoval funkčnost, stabilitu a kvalitu zobrazení navrženého sytému. Celý systém byl úspěšně otestován ve stávajícím LIDARu a je připraven k instalaci v novém LIDARovém systému, který se v současné době konstruuje v kooperaci s Univerzitou v Turíně. Poslední část dizertační práce se zaměřuje na systém, na jehož návrhu se autor této práce podílel a pro který vytvořil řídící a vyhodnocovací programové vybavení. Tento systém již úspěšně funguje na dvou budovách fluorescenčního detektoru, kde probíhá jich testovací provoz. Jedná se o systém monitorující světelné pozadí FD a současné době pomáhá tento systém k efektivnějšímu sběru dat, prodloužení doby měření a v budoucnu díky tomuto systému bude možné přejít k zcela automatickému provozu fluorescenčních teleskopů.

Abstract:

The aim of this thesis was to introduce a few selected topics, which the author dealt with in the Pierre Auger Observatory project, specifically in its measuring and adjusting methods. A newly developed method of non-contact measuring of the large-reflective optics elemnts' shape, which the author has independently developed and tested on mirror segments forming the optical part of the FD telescopes, is described in the first section. The key principle of this method is well known because it used to be used for the construction of the first telescopes but here modern features and mainly a new way to control and process the data is applied. This leads to new usability and an increase in accuracy. The second part is focused on the description of optical surface roughness measurement. This method is based on roughness measurement using diffuse light, CASI measuring system respectively. The author has proposed and practically verified a brand new measuring method and also created an evaluation program, which can process the measured data based on theory mentioned in the introduction. CASI measuring system contains basic software that evaluates light performance, converts BSDF function and evaluates the surface roughness. It is unfortunately not any universal tool that would be able to evaluate data from unusual samples or atypical measurements. To extend the possibilities of this device, the author has developed an algorithm, which processes the data from light performance measurement measured by CASI system. From data obtained, it is able to evaluate a wide range of parameters related to the optical surface dispersion mentioned in previous text. Computer application evaluates these parameters and uses data not exposed any error that is caused by secondary reflections and adverse dispersions. Furthermore, the author has used his measurement for dispersion characteristics of various elements of fluorescence detectors, as well as PAO terrestrial detectors, quantification. In the following chapter, the author deals with his approach to design the optical system of the PAO for the LIDAR. It was required to design a new optical part of the device for atmospheric monitoring system. Introducing general description, the author also describes a way how to design optical surface. This is followed by complex series of measurements and simulations, which the author suggested, measured and subsequently evaluated. During these tests, the author has verified overall functionality, stability and image quality of the system. The whole system was successfully tested in the LIDAR and now it is ready to be installed in the new LIDAR system, which is currently under construction in a cooperation with the University of Turin. The last part of the dissertation thesis is focused on the system whose design the author participated in and created a control and evaluation software. This system has already successfully operated in two FD buildings where their testing is pending. This system monitors the FD light background and helps to efficient data collection and measurement time extension. Thanks to this system it will be able fully automate the fluorescence telescopes operation in the future.

Keywords

Observatoř Pierre Auger, drsnost optických ploch, tvar optických ploch, atmosférický LIDAR, světelné pozadí noční oblohy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 12. 2011

Accessible from:: 12. 12. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2011
• Supervisor: Prof. RNDr. Miroslav Hrabovský, DrSc.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics