Катадиоптрический телескоп
Владельцы патента RU 2443005:
Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Новосибирский приборостроительный завод" (ОАО "ПО "НПЗ") (RU)
Телескоп может быть использован в серийных малогабаритных устройствах, работающих с приборами зарядовой связи для проведения астрофотографических, спектральных, фотометрических наблюдений небесных объектов в широкой области спектра, для изучения астроклимата, а также в серийных фотовизуальных телескопах с действующим отверстием 150-400 мм. Телескоп содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало (1), корректирующий элемент, включающий две отрицательные одиночные линзы (2 и 3) из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых - квазиафокальный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, а вторая имеет зеркальную поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления, и трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, установленный перед фокальной плоскостью телескопа. Первая по ходу луча линза компенсатора - квазиафокальный отрицательный мениск (4), обращенный вогнутостью к плоскости изображения, вторая (5) и третья (6) линзы компенсатора склеены. Первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту. Технический результат - уменьшение паразитного света, улучшение качества изображения по краям поля зрения, увеличение рабочего отрезка компенсатора. 2 ил., 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах фотографического назначения, работающих с приборами зарядовой связи (ПЗС-камерами и цифровыми фотоаппаратами), служащих для проведения разнообразных наблюдений небесных объектов в широкой области спектра, таких как астрофотографические, спектральные, фотометрические, изучение астроклимата и тому подобное. Предлагаемая оптическая система может быть использована также в серийных фотовизуальных телескопах с действующим отверстием 150-400 мм.
Известен катадиоптрический телескоп, предложенный автором, содержащий установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент, состоящий из двух одиночных линз, первая из которых выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая - отрицательная и имеет зеркальную отражающую поверхность. Линзы корректора выполнены из разных марок стекла, имеющих в видимой области спектра квазиблизкие коэффициенты дисперсии (Катадиоптрический телескоп [Текст]: пат. 2125285 Рос. Федерация: МПК G02В 17/08, 23/02 / автор Клевцов Ю.А.; патентообладатель Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН).
В диапазоне длин волн 436-700 нм рабочей области спектра цифровой фотографической аппаратуры такие телескопы обеспечивают дифракционное качество изображения на оси при диаметре действующего отверстия до 800 мм и относительном отверстии до 1:7. Однако внеосевые аберрации: астигматизм, кривизна поля и хроматизм увеличения ограничивают поле зрения, на котором еще возможно получение изображений высокого качества.
Прототипом предлагаемого изобретения является катадиоптрический телескоп, предложенный автором, содержащий установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент, включающий две одиночные линзы из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая, отрицательная, имеет зеркальную отражающую поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления. Перед фокальной плоскостью телескопа установлен трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, причем последний по ходу луча компонент компенсатора выполнен в виде квазиконцентрического мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Первые две по ходу луча линзы компенсатора могут быть склеены (Катадиоптрический телескоп [Текст]: пат. 2248024 Рос. Федерация: МПК7 G02В 23/06, 17/08 / автор Клевцов Ю.А.; патентообладатель ГУП «ПО «НПЗ»).
Основными недостатками прототипа являются: наличие в плоскости изображения паразитного света от компенсатора внеосевых аберраций; относительно низкое, по современным требованиям, качество изображения точки по краям поля зрения (для систем с действующим отверстием от 250 мм и больше); сравнительно небольшое рабочее расстояние - 45,5 мм (в настоящее время для работы с современной фотографической аппаратурой требуется рабочее расстояние не менее 55 мм).
Задачей предлагаемого изобретения является понижение уровня паразитного светового фона, уменьшение эффективного пятна рассеяния для краевых точек поля зрения и увеличение рабочего рассеяния преобразователя фокуса до принятых в настоящее время стандартов.
Поставленная задача достигается тем, что в катадиоптрическом телескопе, содержащем установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент, включающий две одиночные линзы из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая, отрицательная, имеет зеркальную отражающую поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления, трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, установленный перед фокальной плоскостью телескопа, первая по ходу луча линза компенсатора выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая и третья линзы компенсатора склеены, причем первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту наблюдения.
Оптические поверхности квазиконцентрического мениска компенсатора внеосевых аберраций в прототипе являются источником паразитных бликов второго порядка, концентрирующихся вблизи плоскости изображения. Замена квазиконцентрического мениска на мениск квазиафокальный отрицательный и перенос его вперед по ходу луча, а также большая кривизна этого мениска способствуют удалению плоскости фокусировки паразитных бликов от плоскости изображения. Тем самым уменьшается паразитный световой фон в телескопе. Склейка второй и третьей линз компенсатора внеосевых аберраций и ориентация поверхностей склеенного блока вогнутостью к объекту наблюдения также способствуют уменьшению паразитного света. Относительно большая кривизна и осевая толщина первой менисковой линзы компенсатора внеосевых аберраций способствует увеличению его рабочего расстояния и компенсации хроматической комы телескопа, в результате чего происходит уменьшение эффективного пятна рассеяния по краям поля зрения.
Заявителю не известны катадиоптрические телескопы, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемый катадиоптрический телескоп от прототипа.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - оптическая схема катадиоптрического телескопа;
Фиг.2 - точечные диаграммы для катадиопрического телескопа с действующим отверстием 300 мм (относительное отверстие - 1:6);
Катадиоптрический телескоп содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало 1 и корректирующий элемент, включающий две одиночные линзы 2 и 3 из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых 2 выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая, отрицательная 3, имеет зеркальную отражающую поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления (Фиг.1). Вблизи фокальной плоскости телескопа установлен трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, включающий отрицательную квазиафокальную менисковую линзу 4 и склеенный блок, состоящий из положительной линзы 5 и отрицательной линзы 6.
Лучи света, отражаясь от главного зеркала 1, проходят через линзы корректирующего элемента 2 и 3 и, отражаясь от зеркальной поверхности линзы 3, идут обратно через корректор, выходя из которого собираются линзами 4, 5, 6 компенсатора внеосевых аберраций, из которого выходят приблизительно телецентрическими пучками и фокусируются в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии за компенсатором.
Обоснуем возможность достижения в предложенном катадиоптрическом телескопе схеме заявленных технических характеристик.
Причинами появления паразитного света в телескопе-прототипе, при наличии в поле зрения объекта большой яркости (яркие звезды и планеты), являются блики, возникающие в компенсаторе внеосевых аберраций. Сравнительно низкая квантовая эффективность ПЗС-матриц, используемых в цифровой фотоаппаратуре, приводит к тому, что до 30% света отражается в обратном направлении. Этот свет, в свою очередь, отражается от оптических поверхностей компенсатора внеосевых аберраций обратно в сторону плоскости изображения, где образует довольно интенсивные блики, способные, при определенных условиях, создавать в плоскости изображения паразитный световой фон. Кроме того, причиной появления паразитного света являются еще так называемые блики второго порядка, образующиеся в прямом ходе лучей при отражении света от поверхностей компенсатора внеосевых аберраций. Эти блики способны фокусироваться вблизи плоскости изображения и создавать вокруг яркого объекта причудливые ореолы, мешающие обнаружению слабых небесных объектов. Одной из причин появления бликов обратного отражения и бликов второго порядка в телескопе-прототипе является применение в компенсаторе внеосевых аберраций квазиконцентрической менисковой линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения. Плоскость фокусировки паразитных бликов, образованных такой линзой, находится вблизи плоскости изображения. Именно это и является причиной образования паразитного светового фона.
В предлагаемом катадиоптрическом телескопе использован иной принцип построения компенсатора внеосевых аберраций. Первая по ходу луча линза 4 выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Так как между линзой 4 и плоскостью изображения расположена положительная склеенная линза 5, 6, то все это в совокупности позволяет удалить плоскости фокусировки паразитных бликов, связанных с линзой 4, от плоскости изображения телескопа. Кроме того, большая кривизна и толщина линзы 4 способствует увеличению рабочего расстояния компенсатора внеосевых аберраций и компенсации хроматической комы телескопа, что, как следствие, приводит к уменьшению эффективного пятна рассеяния по краям поля зрения. Склеенный блок, состоящий из положительной линзы 5 и отрицательной линзы 6, служащий для увеличения относительного отверстия телескопа, также принимает участие в формировании и образовании паразитных бликов. Склейка линз 5 и 6 значительно уменьшает интенсивность паразитных бликов от склеенной поверхности. Первая по ходу луча плоская поверхность склеенного блока и ориентация остальных поверхностей вогнутостью к объекту наблюдения не оставляют возможности для концентрации паразитного света вблизи плоскости изображения телескопа.
В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических характеристик, рассмотрим конкретный компенсатор внеосевых аберраций для телескопа ТАЛ-300К (относительное отверстие 1:8). Действующее отверстие телескопа - 300 мм. Материал линз корректирующего элемента такой: линза 2 - СТК12; линза 3 - ТК2. Материал линзы 4 - стекло ТК2; линзы 5 - стекло БК8, а линзы 6 - стекло ОФ4. Расстояние от последней поверхности линзы 6 до плоскости изображения составляет 76,2 мм, что позволяет не только уложиться в настоящие стандарты цифровой фотографической аппаратуры, но и использовать имеющийся запас рабочего расстояния на установку за компенсатором оптической системы бокового гида. Относительное отверстие телескопа с компенсатором внеосевых аберраций составляет 1:6.
На фиг.2 приведены точечные диаграммы пятен рассеяния телескопа ТАЛ-300К с предлагаемым компенсатором внеосевых аберраций в диапазоне спектра от 436 до 700 нм.
Точечные диаграммы рассчитаны по шести линиям спектра: 550; 436; 450; 600; 650 и 700 нм с учетом спектральной чувствительности ПЗС-матрицы и всего оптического тракта прибора для пяти углов поля зрения Wy=0°; 0,1675°; 0,335°; 0,5025°; 0,67° (Изопланатический преобразователь фокусного расстояния для катадиоптрического телескопа с менисковым корректором [Текст] / Ю.А.Клевцов. // Оптический журнал. - 2006 - Т.73. - №8. - С.50-54).
Таким образом, полное угловое поле телескопа ТАЛ-300К с компенсатором внеосевых аберраций предлагаемой конструкции составляет 2Wy=1,34°. Радиус окружности ограничения на точечной диаграмме фиг.2 составляет 15 мкм.
Из фиг.2 видно, что диаметр геометрического пятна рассеяния для центра поля зрения в указанном диапазоне спектра и выбранной плоскости фокусировки менее 15 мкм, а на краю поля в направлении меридионального сечения (Y) - порядка 30 мкм. Данные (с учетом дифракции света) оценки размеров эффективных пятен рассеяния (с концентрацией энергии Е=80%), а также оценка разрешающей способности телескопа с компенсатором внеосевых аберраций в диапазоне спектра 436-700 нм приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
|
|
|
2ρ (мкм) при Е=80% для λ (нм) 436÷700 | α" угл. сек. при Т=20% для λ (нм) 436÷700 |
| 0,0 | 0,0 | 13,7 | 0,58 |
| 0,14 | 4,4 | 13,8 | 0,62 |
| 0,34 | 10,7 | 14,8 | 0,95 |
| 0,54 | 17,0 | 16,0 | 1,2 |
| 0,74 | 23,4 | 16,2 | 1,2 |
| 0,94 | 29,9 | 16,7 | 1,6 |
| 1,14 | 36,4 | 20,8 | 2,2 |
| 1,24 | 39,8 | 22,0 | 2,5 |
| 1,34 | 43,1 | 20,4 | 2,2 |
В таблице 1:
- угловое поле телескопа;
- линейное поле телескопа с преобразователем фокусного расстояния в плоскости изображения;
2ρ - диаметр эффективного пятна рассеяния по уровню концентрации энергии Е=80%;
α" - угловое разрешение по уровню контраста Т=20% для наихудшего направления штрихов миры;
λ - длина волны света.
В центре поля зрения эффективное пятно рассеяния не превышает 13,7 мкм, а по полю зрения - 22 мкм. В схеме прототипа с 250 мм действующим отверстием при относительном отверстии с компенсатором внеосевых аберраций 1:6,3, практически в том же интервале спектра и по краю того же углового поля, получено эффективное пятно рассеяния диаметром 26 мкм (Катадиоптрический телескоп [Текст]: пат. 2248024 Рос. Федерация: МПК7 G02В 23/06, 17/08 / автор Клевцов Ю.А.; патентообладатель ГУП «ПО «НПЗ»).
Пропорциональный пересчет показывает, что выигрыш в размерах эффективного пятна рассеяния, в пределах углового поля зрения 1,3°, который дает предлагаемая схема катадиопрического телескопа, составляет не менее 1,5.
Произведем оценку паразитного света в предлагаемой схеме 300 мм катадиопрического телескопа с компенсатором внеосевых аберраций.
Рассмотрим просветленный и непросветленный компенсатор внеосевых аберраций. Интегральный коэффициент отражения света от просветленной преломляющей поверхности в диапазоне спектра 436-700 нм примем равным 0,6%, а интегральный коэффициент отражения зеркал - 96%. В первом случае пропускание всего телескопа (без учета экранирования в центре зрачка) будет τ0=0,87, во втором случае τ0=0,72. Квантовую эффективность ПЗС-матрицы будем считать равной 70% оценку интенсивности всех возникающих в компенсаторе внеосевых аберраций, бликов обратного отражения и бликов второго порядка (объект наблюдения находится в центре поля зрения). Данные расчета приводятся в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||
| i | № п/п |
|
|
|
|
ζi | τi | |
| Просветленный | Непросветленный | |||||||
| 1 | 10 | -99,4 | -325,6 | 98,9 | 32,7 | 0,305 | 0,00150 | 0,00776 |
| 2 | 11 | -86,5 | -388,0 | 70,5 | 23,8 | 0,223 | 0,00152 | 0,00860 |
| 3 | 12 | -252,7 | 3212,0 | 23,8 | 8,4 | -0,0787 | 0,00154 | 0,00879 |
| 4 | 13 | -91,7 | 265,7 | 119,7 | 37,2 | -0,345 | 0,00028 | 0,000205 |
| 5 | 14 | -110,6 | 814,0 | 41,4 | 14,4 | -0,136 | 0,00156 | 0,01308 |
| 6 | 10-14 | -146,2 | 1900,7 | 22,5 | 8,1 | -0,0769 | 0,0000304 | 0,00178 |
| 7 | 10-13 | -71,7 | -442,7 | 60,7 | 17,6 | 0,162 | 0,00000548 | 0,0000317 |
| 8 | 10-12 | -105,0 | 394,6 | 84,7 | 28,4 | -0,266 | 0,0000308 | 0,00150 |
| 9 | 10-11 | -81,6 | 440,0 | 56,8 | 19,7 | -0,186 | 0,0000312 | 0,00178 |
| 10 | 11-14 | -109,7 | 790,5 | 41,7 | 14,7 | -0,139 | 0,0000308 | 0,00197 |
| 11 | 12-14 | -73,0 | 740,6 | 30,2 | 10,5 | -0,0985 | 0,0000311 | 0,00202 |
| 12 | 13-14 | -104,9 | -659,8 | 48,4 | 16,9 | 0,159 | 0,00000561 | 0,0000470 |
| 13 | 11-13 | -464,5 | 5073,0 | 21,4 | 9,5 | -0,0916 | 0,00000554 | 0,0000351 |
| 14 | 12-13 | -90,2 | 263,4 | 118,9 | 36,9 | -0,343 | 0,00000561 | 0,0000359 |
| 15 | 11-12 | -93,0 | 384,1 | 76,5 | 25,8 | -0,242 | 0,0000312 | 0,00166 |
В таблице 2:
i - номер блика (с 1 по 5 - блики обратного отражения от поверхностей компенсатора, образующиеся при участии ПЗС-матрицы, с 6 по 15 - блики второго порядка, образующиеся при отражении света от поверхностей компенсатора);
№ п/п - номер поверхности (поверхностей) схемы, участвующих в образовании блика (входной зрачок является поверхностью №1). 10 - номер первой по по ходу луча поверхности компенсатора внеосевых аберраций, 14 - номер его последней поверхности;
- расстояние плоскости фокусировки блика от плоскости изображения;
- фокусное расстояние системы паразитного отражения;
- внешний диаметр кольца блика на плоскости изображения (точка на оси);
- внутренний диаметр кольца блика на плоскости изображения (точка на оси);
(основной параметр блика);
τi - интенсивность блика (в долях интенсивности объекта).
Расчет допустимой яркости объекта m (в звездных величинах), создающего на плоскости изображения паразитный световой фон, сопоставимый с естественным фоном ночного неба (+22 звездных величины с квадратной секунды за атмосферой Земли) рассчитывают согласно зависимости (Новые апохроматические зеркально-линзовые системы с менисковыми корректорами [Текст]: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца / Ю.А.Клевцов. // 1988. - №79. - С.178-185):
.
m - яркость объекта (в звездных величинах);
τ0 - коэффициент пропускания оптической системы;
∀Э - относительный фокус (величина, обратная относительному отверстию оптической системы);
τi - интенсивность блика (в долях интенсивности объекта);
ζi - основной параметр блика.
Если принять что в некоторой зоне поля изображения все блики пересекаются, что справедливо в том случае, когда объект находится вне центра поля зрения, то анализ данных табл.2 дает для просветленного преобразователя фокуса m=-1,3, а для непросветленного (или плохо просветленного) преобразователя фокуса m=+1,2. Звезд с яркостью большей +1,2 на северном небе всего 18. Таким образом, при наличии в поле зрения сравнительно ярких объектов (что случается довольно редко) даже в случае отсутствия просветления оптики (или при плохом просветлении) интенсивность паразитного света будет сопоставима с естественным фоном ночного неба и слабые объекты, находящиеся на пределе видимости, не будут потеряны. При хорошем просветлении оптики вполне допустимо наличие в поле зрения телескопа также и планет (за исключением Венеры, имеющей яркость - 4,3). Как видно из таблицы 2 (см. столбец 
), паразитных бликов в катадиоприческом телескопе с предлагаемым компенсатором внеосевых аберраций, сфокусированных вблизи плоскости изображения, не образуется, чем он выгодно отличается от прототипа, где около яркого объекта всегда отчетливо видны два блика второго порядка, имеющие диаметр 1,5-2 мм.
Таким образом, можно считать обоснованным, что предлагаемый катадиоптрический телескоп с компенсатором внеосевых аберраций относительно прототипа имеет пониженный уровень паразитного светового фона, лучшее качество изображения краевых точек поля зрения и большее рабочее расстояние.
Предлагаемый катадиопрический телескоп, сохраняя все конструктивные достоинства аналога и прототипа: сферическую форму оптических поверхностей, малый размер корректирующих линз и компактность, обладает по отношению к прототипу следующими преимуществами:
1. Не имеет паразитных бликов, сфокусированных вблизи плоскости изображения;
2. Паразитный световой фон в катадиоприческом телескопе зависит только от качества просветляющих покрытий и в самом худшем случае полного отсутствия просветления, даже при наличии в поле зрения самых ярких звезд, не превышает естественного фона ночного неба;
3. Предлагаемый катадиопрический телескоп при прочих равных условиях обеспечивает примерно в 1,5 раза лучшее качество изображения по полю зрения;
4. Компенсатор внеосевых аберраций предлагаемого катадиоптрического телескопа имеет значительно большее, чем в прототипе, рабочее расстояние, что позволяет не только удовлетворить действующим в настоящее время стандартам на фотографическую аппаратуру, но и дает возможность установки за компенсатором некоторых дополнительных аксессуаров, таких, например, как внеосевой гид.
Благодаря этим преимуществам предлагаемый катадиопрический телескоп можно рекомендовать для астрофотографических работ со специализированными ПЗС-матрицами и современными цифровыми фотоаппаратами, рассчитанными на формат узкого кадра 24×36 мм (с диагональю 43,1 мм), а также для фотометрических и спектральных работ в диапазоне длин волн как минимум от 436 нм до 700 нм.
Наилучшая область применения предлагаемой оптической системы катадиопрического телескопа - производство на ее основе серийных, относительно дешевых, малогабаритных с диаметром действующего отверстия 150-400 мм при относительном отверстии от 1:5,5 до 1:6 универсальных телескопов для учебно-просветительских целей и любителей астрономии. В этой области применения предлагаемая система катадиопрического телескопа, ввиду ее простоты и относительной дешевизны, превосходит такие известные и широко применяемые типы телескопов, как система Ричи-Кретьена, "менисковый Кассегрен" Максутова и систему Шмидта-Кассегрена. Последние два типа телескопов предлагаемая система катадиопрического телескопа, кроме того, еще превосходит по качеству изображения в широком диапазоне спектра, а систему Шмидта-Кассегрена - по уровню паразитного света. Предлагаемый катадиопрический телескоп позволяет сравнительно простыми средствами без применения асферических поверхностей и ретуши обеспечить высокую светосилу телескопа и достаточно большое поле хороших изображений размером в 1,34°.
Катадиоптрический телескоп, содержащий установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент, включающий две одиночные линзы из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая, отрицательная, имеет зеркальную отражающую поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления, трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, установленный перед фокальной плоскостью телескопа, отличающийся тем, что первая по ходу луча линза компенсатора выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая и третья линзы компенсатора склеены, причем первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту наблюдения.
