КАТАДИОПТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 2005 года по МПК G02B23/06 G02B17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах, служащих для изучения астроклимата, наблюдений с прибором зарядной связи (ЛВС-камерами) разнообразных небесных объектов, а также для проведения астрофотографических, спектральных, фотометрических и иных работ в широком диапазоне спектра. Предлагаемая оптическая система может быть также использована в серийных любительских телескопах с диаметром действующего отверстия 150-400 мм.

Известна катадиоптрическая система телескопа, предложенная автором [1], содержащая главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент из двух одиночных линз, одна из которых отрицательная и имеет зеркально отражающую поверхность, установленный по ходу луча позади главного зеркала.

Первая по ходу луча линза корректирующего элемента в этой системе выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, из материала отрицательной линзы с зеркальной поверхностью. Это существенно уменьшает вторичный спектр, делая его неощутимо малым для спектрального диапазона 486-656 нм, в котором человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью. Основным недостатком этой системы являются внеосевые аберрации. Астигматизм и кривизна поля, принципиально неустранимые в этой системе, возрастают при увеличении выноса плоскости фокусировки за главное зеркало. Это приводит к тому, что в серийных телескопах, построенных по этой схеме, имеющих вынос плоскости фокусировки за главное зеркало порядка величины действующего отверстия, приходится ограничивать эквивалентное относительное отверстие величиной 1:10, а поле зрения - величиной в 30-40 угловых минут, что явно недостаточно, например, для фотографических работ при использовании наиболее употребительной фотоаппаратуры с размером кадра 24×36 мм.

Кроме того, когда на современном этапе развития светоприемной аппаратуры все большее применение в наблюдательной астрономии получают ПЗС-матрицы и широко используются фотографические эмульсии, чувствительные к широкому спектральному диапазону, спектральная область работы 486-656 нм даже для любительского телескопа представляется явно недостаточной и нужна рабочая область спектра 400-900 нм при относительном отверстии кассегреновской системы до 1:6-1:7 и угловом поле зрения до 1,5 градусов.

Прототипом предлагаемого изобретения является катадиоптрическая система телескопа, предложенная автором [2], содержащая 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.

Спектральный диапазон работы этой системы ограничен только коротковолновой границей пропускания стекла и спектральным интервалом просветляющего покрытия линз корректора. В рабочем диапазоне спектра 400-900 нм такие телескопы обеспечивают дифракционное качество изображения на оси при диаметре действующего отверстия 150-400 мм.

Однако в прототипе [2] астигматизм и кривизна поля не могут быть исправлены, поэтому при повышении относительного отверстия, например, до значения 1:7 поле зрения, на котором еще возможно получение изображения высокого качества, в зависимости от диаметра действующего отверстия системы не может быть более 30 угловых минут.

Предложенная система катадиоптрического телескопа позволяет обеспечить более высокие технические характеристики, а именно: повысить относительное отверстие и увеличить поле зрения телескопа.

Предложенная система, как и прототип, содержит 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.

Более высокие технические характеристики предложенной системы обеспечиваются новой совокупностью отличительных признаков:

1. 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.

2. Первые две по ходу луча линзы компенсатора внеосевых аберраций могут быть склеены.

3. Показатель преломления первой по ходу луча линзы корректирующего элемента для спектральной линии 589,3 нм не превышает 1,66, а коэффициент дисперсии больше коэффициента дисперсии второй линзы на величину, не превышающую 3%.

Установка вблизи фокальной плоскости телескопа линзового изопланатического (с исправленной комой и незначительной сферической аберрацией) компенсатора внеосевых аберраций, имеющего положительную оптическую силу, дает возможность уменьшить эквивалентное фокусное расстояние телескопа, а следовательно, увеличить его эквивалентное относительное отверстие и одновременно за счет введения весьма незначительной сферической аберрации на оси исправить астигматизм всей системы.

Особая конструкция компенсатора внеосевых аберраций, удовлетворяющая признакам п.1 и п.2, дает возможность расширения поля зрения за счет исправления астигматизма, кривизны поля и хроматизма увеличения.

Выполнение линз корректора из стекол, удовлетворяющих признакам п.3, дает возможность строить корректор из стекол повышенной однородности и светопропускания.

Автору не известны оптические системы телескопов, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная оптическая система обладает существенными отличиями.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 - оптическая схема катадиоптрического телескопа с изопланатическим компенсатором внеосевых аберраций;

фиг.2 - точечные диаграммы для телескопа с действующим отверстием 200 мм (относительное отверстие - 1:6,5);

фиг.3 - точечные диаграммы для телескопа с действующим отверстием 250 мм (относительное отверстие - 1:6,3).

На фиг.1 изображена предлагаемая оптическая система катадиоптрического телескопа. Система 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 отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, а вторая отрицательная (3) имеет зеркальную отражающую поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления. Вблизи фокальной плоскости телескопа установлен трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, включающий одиночные линзы 4, 5 и 6, причем последний по ходу луча компонент компенсатора 6 выполнен в виде квазиконцентрического мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. В предложенном варианте телескопа одиночные линзы компенсатора 4 и 5 могут быть склеены своими внутренними поверхностями.

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 в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии за компенсатором.

Обоснуем возможность достижения в предложенной схеме заявленных технических характеристик.

Расширению поля зрения в катадиоптрическом телескопе-прототипе [2] препятствует ряд факторов: во-первых, принципиально неисправимые в этой схеме внеосевые аберрации - астигматизм и кривизна поля, возрастающие к тому же с увеличением выноса фокальной плоскости за главное зеркало, во-вторых, наличие в этой системе хроматизма увеличения, который мал только для небольших угловых полей и области спектра, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен, но для области спектра 400-900 нм в угловом поле системы до 1,5 градусов может составить величину, весьма существенную - в 2-3 раза большую величины фотографического рассеяния современных пленок (20-30 мкм). Относительное отверстие в телескопе-прототипе с выносом фокуса за главное зеркало порядка величины действующего отверстия, а именно с таким выносом для удобства размещения светоприемных устройств строятся серийные кассегреновские телескопы, не превышает величины 1:8 1:8,5. Для ряда астрофотографических работ требуется относительное отверстие, более высокое. В серийной схеме телескопа-прототипа увеличивать дальше относительное отверстие означает не только ухудшить качество изображения на оси системы, но и сузить допуски на ее параметры и юстировку настолько, что осуществление такой схемы в серийном производстве станет нереальным, кроме того, как уже указывалось выше, такой путь не приводит к расширению поля зрения.

Для того чтобы обойти указанные затруднения, в схему фиг.1 вводится дополнительный оптический элемент - компенсатор внеосевых аберраций. Компенсатор имеет положительную оптическую силу, в связи с чем уменьшает фокусное расстояние телескопа и увеличивает его эквивалентное относительное отверстие. Особая изопланатическая конструкция компенсатора внеосевых аберраций позволяет исправлять астигматизм, кривизну поля и хроматизм увеличения. Компенсатор содержит три одиночные линзы 4, 5 и 6 (фиг.1). Линза 6 представляет из себя квазиафокальный отрицательный мениск, весьма близкий к концентрическому, обращенный вогнутостью к плоскости изображения. Эта линза используется для коррекции кривизны поля и хроматизма увеличения. Эквивалентная оптическая сила блока линз 4 и 5 положительная, благодаря чему компенсатор увеличивает относительное отверстие телескопа. Блок линз 4 и 5 самостоятельно исправлен на хроматизм положения и кому, но имеет сравнительно небольшую отрицательную сферическую аберрацию, которая вводится для того, чтобы компенсировать принципиально неисправимый отрицательный астигматизм системы: главное зеркало 1 - корректирующий элемент (линзы 2, 3). Такой тип коррекции оптической системы в оптике принято называть изопланатическим.

Продольная сферическая аберрация на оси телескопа имеет отрицательное значение и зависит от положения компенсатора внеосевых аберраций. Чем меньше задний отрезок системы (расстояние между последней поверхностью линзы 6 (фиг.1) и плоскостью изображения), тем меньше сферическая аберрация и лучше качество изображения. Поэтому задний отрезок системы следует выбирать лишь незначительно больше рабочего отрезка фотоаппарата. Для фотоаппарата с форматом кадра 24×36 мм этот отрезок составляет 45,5 мм и этого расстояния вполне достаточно для того, чтобы обеспечить в предлагаемой системе телескопа качество изображения, близкое к дифракционному в центре поля зрения и удовлетворяющее требованиям к размерам эффективного пятна рассеяния (20-30 мкм) для современных светоприемных устройств в его периферийной части.

В широкой области спектра 400-900 нм на поле зрения до 1,5 градуса большое значение имеет исправление хроматизма увеличения. Квазиконцентрический мениск 6 дает противоположный по знаку хроматизм увеличения относительно системы: главное зеркало 1 - корректирующий элемент (линзы 2 и 3). Можно выбрать толщину этого мениска таким образом, чтобы полностью исправить эту аберрацию, но в широкой области спектра, обеспечив по краю поля зрения исправление хроматизма увеличения для крайних линий, например 400 и 900 нм, невозможно получить одновременного исправления хроматизма увеличения для лучей видимой области из-за наличия в системе вторичного хроматизма увеличения. Эта аберрация связана с выбором марок стекла линз 4 и 5 компенсатора внеосевых аберраций. Для обеспечения спектральной области работы 436-768 нм достаточно стекол с обычным ходом дисперсии, а блок линз 4 и 5 компенсатора внеосевых аберраций может иметь обычную ахроматическую (для двух линий спектра) коррекцию хроматизма положения. В этом случае выбор марок стекла для линз 4 и 5 относительно свободен и дает возможность склеить их внутренними поверхностями в единый блок, чем упрощается конструкция, уменьшается паразитный свет и увеличивается светопропускание системы. Но, чтобы расширить спектральную область работы телескопа до 400-900 нм, необходимо полностью исправить вторичный хроматизм увеличения. Для этого достаточно одну из линз 4 или 5 выполнить из стекла с особым ходом дисперсии. Блок линз 4 и 5 компенсатора при этом будет иметь апохроматическую (для трех линий спектра) коррекцию хроматизма положения. С точки зрения минимизации хроматических аберраций лучше всего из особого стекла выполнять положительную линзу 5, а в качестве материала для этой линзы использовать флюорит или заменяющее его стекло из серии особых кронов (стекло ОК4 ГОСТ 3514-94). Поскольку коэффициент линейного расширения этих материалов существенно отличается от обычного стекла, использующегося в линзе 4 для обеспечения апохроматической коррекции силового компонента, склеить линзы 4 и 5 в единый узел не удается и компенсатор с коррекцией хроматических аберраций в широкой области спектра 400-900 нм будет содержать три отдельных линзы. Чередование оптических сил линз 4 и 5 в компенсаторе может быть произвольным. Обе возможных конструкции не имеют существенных различий в смысле коррекции остаточных аберраций.

Область сортамента стекла корректирующего элемента в предлагаемой системе катадиоптрического телескопа существенно отличается от таковой для системы-прототипа [2]. В частности, для мениска системы-прототипа применялось стекло из серии сверхтяжелый крон с показателем преломления для линии 589,3 нм от 1,69 до 1,76, коэффициент дисперсии которого в видимой области спектра был меньше, чем коэффициент дисперсии отрицательной линзы 3.

В указанной области изменения показателя преломления заводы оптического стекла не производят сверхтяжелых кронов с повышенной однородностью и светопропусканием, пригодных для использования в астрономических приборах. Это создает большие трудности при серийном отборе такого стекла для мениска в системе-прототипе [2].

Однако для мениска 2 (фиг.1) предложенной системы можно применять стекла с показателем преломления 1,61-1,66, что соответствует также и области тяжелых кронов, которые лучше освоены в производстве, обладают высокой прозрачностью и однородностью. При этом в отличие от прототипа коэффициент дисперсии мениска 2 в видимой области спектра должен быть не меньше, а больше, чем у отрицательной линзы 3, на величину, не превышающую 3%.

В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических характеристик, приведем точечные диаграммы для двух рассчитанных по предлагаемой оптической схеме систем.

Система с диаметром действующего отверстия 200 мм имеет без компенсатора внеосевых аберраций относительное отверстие 1:8,75. Марки стекла для линз корректирующего элемента, использованные в этой схеме, - ТК14 и КФ4 (по ГОСТ 3514-94). Компенсатор внеосевых аберраций увеличивает эквивалентное относительное отверстие до величины 1:6,5. Марки стекол компенсатора: для линзы 4 и 6 - ТФ4, для линзы 5 БФ12. Линзы 4 и 5 склеены. Угловое поле зрения составляет 1,3 градуса. Задний отрезок системы - 53 мм. Точечные диаграммы в диапазоне спектра 436-768 нм и пяти углов поля зрения 0, 0,325, 0,65, 0,975 и 1,3 градуса приведены на фиг.2.

Схема с диаметром действующего отверстия 250 мм имеет без компенсатора внеосевых аберраций относительное отверстие 1:8,5. Марки стекла для линз корректирующего элемента, использованные в этой схеме, - СТКЗ и БК10. Компенсатор внеосевых аберраций увеличивает эквивалентное относительное отверстие до величины 1:6,3. Марки стекол компенсатора: для линзы 4 - КФ4, для линзы 5 - флюорит и для линзы 6 - ТФ4. Линзы 4 и 5 не склеены. Угловое поле зрения составляет 1,3 градуса. Задний отрезок системы - 55 мм. Точечные диаграммы в диапазоне спектра 400-900 нм и пяти углов поля зрения 0, 0,325, 0,65, 0,975 и 1.3 градуса приведены на фиг.3.

Радиус окружности ограничения на точечных диаграммах фиг.2 и 3 составляет 15 мкм.

Из фиг.2 и 3 видно, что поперечные аберрации предлагаемой системы с компенсатором внеосевых аберраций в указанном диапазоне спектра и выбранной плоскости фокусировки укладываются для углового поля до 1/3 градуса в величину 15-20 мкм, а на краю поля составляют величину порядка 30 мкм. Точный расчет диаметра эффективного пятна рассеяния, в котором содержится 80% энергии света, достигающего плоскости фокусировки в заданном диапазоне спектра, с учетом дифракции и спектральной чувствительности тонкой многослойной ПЗС-матрицы [3] позволяет утверждать, что обе системы в указанных диапазонах спектра на угловом поле до 1/3 градуса дают изображение точечного объекта (звезды) эффективного диаметра 17-18 мкм, а в пределах поля зрения до 1,3 градуса - 24-26 мкм, что удовлетворяет самым строгим требованиям к изображению точечного тест-объекта для астрофотографии и практически укладывается в требования к качеству изображения для астрономических систем, работающих с ПЗС-матрицами, для которых размеры эффективного светочувствительного пятна в настоящее время составляют 7-9 мкм, и следовательно, изображение звезды может иметь размеры 14-18 мкм.

Все использованные в корректоре марки оптического стекла ТК14, КФ4, СТКЗ, БК10 по ГОСТ 3514-94 имеют высшую категорию оптической однородности и удовлетворяют п.3 патентной формулы.

Как доказано выше, предлагаемая система обеспечивает высокое качество оптического изображения в широком диапазоне спектра, при этом ее относительное отверстие и угловое поле могут быть увеличены. Это обеспечивается благодаря наличию новой совокупности отличительных признаков:

1. 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.

2. Первые две по ходу луча линзы компенсатора внеосевых аберраций могут быть склеены.

3. Показатель преломления первой по ходу луча линзы корректирующего элемента для спектральной линии 589,3 нм не превышает 1,66, а коэффициент дисперсии больше коэффициента дисперсии второй линзы на величину, не превышающую 3%.

Предлагаемая система, сохраняя все конструктивные достоинства аналога и прототипа: сферическую форму оптических поверхностей, малый размер корректирующих линз, компактность и отсутствие паразитного света, обладает по отношению к прототипу следующими основными преимуществами:

1. Возможностью увеличения относительного отверстия без потери качества изображения в широкой области спектра и сужения допусков на параметры системы и ее центрировку до значения 1:6,3.

2. Возможностью увеличения углового поля зрения до величины в 1,3 градуса благодаря введению в оптическую систему телескопа компенсатора внеосевых аберраций особой конструкции, исправляющего астигматизм, кривизну поля и хроматизм увеличения.

3. Возможностью улучшения качества изображения за счет расширения допустимого сортамента стекол корректора и открывающейся вследствие этого возможностью использования в корректоре марок стекла с высоким пропусканием и однородностью.

Благодаря указанным преимуществам предлагаемую систему телескопа можно рекомендовать для астрофотографических работ и наблюдений с ПЗС-матрицами, выполняемыми в широком спектральном диапазоне 400-900 нм.

Наилучшая область применения предлагаемой оптической системы - производство на ее основе серийных, относительно дешевых, малогабаритных с диаметром действующего отверстия 150 - 400 мм и относительным отверстием 1:6,3 универсальных телескопов для учебно-просветительских целей и любителей астрономии. В этой области применения предлагаемая система 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, которые, кроме того, она превосходит еще и по качеству изображения в широком диапазоне спектра и позволяет сравнительно простыми средствами без применения асферических поверхностей и ретуши обеспечить высокую светосилу телескопа и достаточно большое поле хороших изображений размером в 1,3 градуса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клевцов Ю.А. "Катадиоптрический телескоп". Авторское свидетельство СССР № 605189, Бюллетень № 16, 1978.

2. Клевцов Ю.А. "Катадиоптрический телескоп". Патент на изобретение РФ № 2125285, Бюллетень № 2, 1999.

3. Г.Уокер "Астрономические наблюдения", перевод с англ. под ред. П.В.Щеглова М.: Мир, 1990, стр.309.

Телескоп содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало, 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, и трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, последний по ходу луча компонент которого выполнен в виде квазиконцентрического мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Обеспечивается увеличение относительного отверстия и углового поля зрения, а также улучшение качества изображения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. 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, отличающийся тем, что 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.2. Телескоп по п.1, отличающийся тем, что первые две по ходу луча линзы компенсатора внеосевых аберраций могут быть склеены.3. Телескоп по п.1 или 2, отличающийся тем, что показатель преломления первой по ходу луча линзы корректирующего элемента для спектральной линии с длиной волны 589,3 нм не превышает 1,66, а коэффициент дисперсии больше коэффициента дисперсии второй линзы на величину, не превышающую 3%.