ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ТЕЛЕСКОПА Российский патент 2003 года по МПК G02B17/06 G02B23/06 

Настоящее предложение относится к области экспериментальной астрофизики и предназначено для улучшения основных характеристик зеркальных астрономических объективов.

Известна схема т.н. "зеркального Шмидта" со сферическим главным зеркалом и зеркальным корректором, установленным под большим углом к падающему пучку в центре кривизны главного зеркала [1]. Поверхность корректора описывается уравнением

где D - диаметр корректора; А - относительное отверстие системы; у, z - координаты на входном зрачке, b=cosε, ε - угол падающего пучка с нормалью к поверхности корректора. Изготовление поверхности, описываемой уравнением (1), представляет значительные технологические трудности.

Наиболее близким аналогом настоящего предложения является оптическая система зеркально-линзового объектива Райта [2] , состоящая из главного зеркала в форме сфероида с e²=-1 и преломляющего корректора, установленного во входном зрачке системы, расположенном на расстоянии -f, где f - фокусное расстояние главного зеркала. Отступление поверхности корректора от плоскости рассчитывается по формуле:

где радиус зоны на корректоре; n - показатель преломления стекла корректора.

В системе Райта корректор исправляет сферическую аберрацию главного зеркала. Система Райта свободна от комы и кривизны поля третьего порядка.

Недостатком системы Райта является наличие преломляющего элемента, вносящего хроматизм и ограничивающего спектральный диапазон. При наблюдении ярких объектов в системе Райта возникают блики, связанные с малой кривизной поверхностей корректора и фокусирующиеся вблизи фокальной плоскости. Стекло корректора должно удовлетворять жестким требованиям к оптическим характеристикам.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона, устранение бликов, присущих зеркально-линзовым астрономическим объективам при одновременном смягчении требований к качеству материалов оптических элементов, улучшении технологичности изготовления и контроля оптических элементов.

Поставленная цель достигается тем, что главное зеркало М₁, выполнено в форме сфероида с e²<-1, коррекционный элемент М₂ выполнен зеркальным и наклонен под углом ε к падающему пучку. Угол ε рассчитывается по формуле

где Δ - расстояние от фокальной плоскости до поверхности корректора.

Отступление поверхности корректора от плоскости рассчитывается по формуле:

где радиус зоны на корректоре, т.е. рельеф наносится по центрально-симметричным зонам, что значительно упрощает изготовление корректора.

На фиг.1:
M₁ - главное зеркало;
М₂ - зеркальный корректор;
D - диаметр входного зрачка;
Δ - вынос фокальной плоскости за поверхность корректора;
ε - угол падающего пучка с нормалью к поверхности в вершине корректора.

Были произведены расчеты хода лучей для систем с D=150-300 мм, А=0,25-0,16 для полей зрения 2ω≤2^°. Расчеты показали, что при диаметре входного зрачка до 150 мм и светосиле до 0,25, диаметры кружков рассеяния по всему полю зрения 2ω≤2^° идентичны системе Райта с теми же параметрами, а при диаметре до 250 мм и светосиле до 0,25 по всему полю зрения 2ω≤1,5^° - превышают кружки рассеяния системы Райта того же диаметра и светосилы всего в 1,3-1,5 раза. Как показали расчеты, небольшие вариации коэффициента a в выражении (4) дают возможность развития диаметра главного зеркала до 500-700 мм без принципиальных изменений оптической схемы при фотографическом качестве коррекции аберраций на поле 2ω≤0,6-0,8^°. При этом в отличие от зеркально-линзовой системы Райта, предлагаемая оптическая система имеет удобное расположение фокальной плоскости, что позволяет располагать крупногабаритную светоприемную аппаратуру в больших телескопах.

Как видно из фиг. 2, в фокальную плоскость может попадать посторонний свет, в случае наблюдения на небольшом угловом расстоянии от ярких источников света. Для предотвращения этого вблизи фокальной плоскости установлена светозащитная бленда B₁ в форме конуса, скошенного под углом к оси. При больших светосилах, полях зрения или малом выносе фокальной плоскости за поверхность зеркального корректора в системе целесообразно установить еще одну светозащитную бленду В₂ впереди по ходу лучей перед главным зеркалом, как показано на чертеже.

Предлагаемая оптическая система позволяет значительно расширить спектральный диапазон зеркально-линзовой системы Райта. Например, если корректор в системе Райта изготовлен из стекла К8 и спектральный диапазон ограничен пропусканием стекла и составляет 0,3-2,5 мкм, то в предлагаемой системе при применении алюминиевого покрытия зеркал спектральный диапазон составляет 0,01-10 мкм. Таким образом спектральный диапазон системы расширяется не менее чем в 4 раза. Предлагаемая система свободна от бликов, неизбежно возникающих в системе Райта при отражении света от поверхностей, расположенных вблизи фокальной плоскости (фотопленки, входных окон матричных фотоприемников, светофильтров и т.п.). Предлагаемая система не предъявляет жестких требований к оптической однородности стекла для корректора, как это имеет место в зеркально-линзовой системе Райта. Замена преломляющего корректора на зеркальный значительно упрощает изготовление корректора, т.к. общая деформация поверхности уменьшается примерно в 4 раза, число оптических поверхностей уменьшается на одну, что снимает требование параллельности поверхностей преломляющей заготовки. Изготовление предлагаемой зеркальной оптической системы возможно (предполагает) использование известных материалов и технологий.

Источники информации
1. Чуриловский В.Н. Зеркальные астрономические объективы, основанные на применении планоидных зеркал // Изв. вузов. "Приборостроение". - 1958 (б), - 2, -с. 102-113.

2. Михельсон Н.Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - М.: Физико-математическая литература, 1995.

Зеркальный объектив состоит из главного зеркала, выполненного в форме сплюснутого сфероида, и афокального коррекционного элемента, установленного впереди по ходу лучей перед главным зеркалом на небольшом расстоянии от фокальной плоскости главного зеркала. Коррекционный элемент выполнен зеркальным с рельефом, нанесенным по центрально-симметричным зонам, и наклонен относительно падающего пучка на угол ε, который связан с основными параметрами системы следующим соотношением:

где D - диаметр корректора; f - фокусное расстояние главного зеркала; ω - половина угла поля зрения; Δ - расстояние от поверхности коррекционного элемента до фокальной плоскости, а по ходу лучей перед корректором установлены две светозащитные бленды. Обеспечивается расширение спектрального диапазона, устранение бликов при одновременном уменьшении требований к качеству материалов оптических элементов, улучшение технологичности изготовления и контроля. 2 ил.

Широкоугольный зеркальный объектив телескопа, состоящий из главного зеркала, выполненного в форме сплюснутого сфероида, и афокального коррекционного элемента, установленного впереди по ходу лучей перед главным зеркалом на небольшом расстоянии от фокальной плоскости главного зеркала, отличающийся тем, что коррекционный элемент выполнен зеркальным с рельефом, нанесенным по центрально-симметричным зонам, и наклонен относительно падающего пучка на угол ε, который связан с основньми параметрами системы следующим соотношением:

где D - диаметр корректора;
f - фокусное расстояние главного зеркала;
ω - половина угла поля зрения;
Δ - расстояние от поверхности коррекционного элемента до фокальной плоскости,
а по ходу лучей перед корректором установлены две светозащитные бленды.