КАТАДИОПТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 2013 года по МПК G02B17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в серийных малогабаритных телескопах фотовизуального назначения, работающих как в видимой глазом области спектра, так и с приборами зарядовой связи (ПЗС-камерами и цифровыми фотоаппаратами), служащих для проведения визуальных и астрофотографических наблюдений небесных объектов.

Известна катадиоптрическая система телескопа, предложенная автором, 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 за главным зеркалом. Первая по ходу луча линза корректирующего элемента выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту наблюдения, из материала отрицательной линзы с зеркальной поверхностью [1].

Недостатком этой системы является ограниченный видимой областью спектральный диапазон работы.

Прототипом предлагаемого изобретения является катадиоптрическая система телескопа, предложенная автором, 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, причем вторая линза выполнена из стекла с меньшим показателем преломления [2].

В диапазоне длин волн 400-700 нм рабочей области спектра цифровой фотографической аппаратуры такие телескопы обеспечивают дифракционное качество внеосевых точек поля изображения диаметром не более 10'-12'. Возможность расширения углового поля зрения изображений высокого качества в прототипе ограничивается внеосевыми аберрациями: астигматизмом, кривизной поля, хроматизмом увеличения и хроматической комой, что является его основным недостатком.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение углового поля зрения изображений высокого качества.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, 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 стекла с меньшим показателем преломления, перед фокальной плоскостью телескопа установлен афокальный корректор полевых аберраций, состоящий из двух линз, первая по ходу луча отрицательная линза выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая положительная линза - плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения.

Установка перед фокальной плоскостью телескопа афокального корректора внеосевых аберраций, состоящего их двух линз, дает возможность, не изменяя фокусного расстояния системы, воздействовать на полевые аберрации изображения: кривизну поля, астигматизм, хроматизм увеличения и хроматическую кому.

Выполнение первой по ходу луча линзы корректора из стекла типа «флинт» в виде отрицательного квазиафокального мениска дает возможность исправления кривизны поля и хроматизма увеличения, а также хроматической комы, однако при этом изменяется фокусное расстояние системы и нарушается коррекция остаточных аберраций на оси.

Вторая по ходу луча положительная линза корректора из стекла типа «крон» компенсирует эти дефекты. Ее плосковыпуклая форма выбрана из соображений технологичности и минимизации паразитного света.

В результате оптимизации конструктивных параметров линз афокального корректора качество изображения на оси системы в области спектра 400-700 нм практически не изменяется, а качество изображения внеосевых точек поля значительно улучшается.

Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Катадиоптрический телескоп с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 - оптическая система катадиоптрического телескопа;

Фиг.2 - вид функции рассеяния точки в видимой области спектра 486-656 нм по полю зрения телескопа с действующим отверстием 300 мм (относительное отверстие - 1:8);

Фиг.3 - графики концентрации энергии в изображении точки, рассчитанные для спектральной области работы цифрового фотоаппарата фирмы Canon (EOS 500D) 400-700 нм по полю зрения телескопа с действующим отверстием 300 мм (относительное отверстие - 1:8).

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 квазиафокального отрицательного 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 афокальный корректор внеосевых аберраций, состоящий из двух линз, включающий отрицательный квазиафокальный мениск 4 и положительную плосковыпуклую линзу 5.

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, афокальный корректирующий элемент, состоящий из линз 4, 5 и, не меняя сходимости, собираются в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии за афокальным корректором.

Обоснуем возможность достижения в предложенной схеме заявленных технических характеристик.

Причинами узкого углового поля в телескопе-прототипе является наличие в его оптической системе полевых аберраций: кривизны поля, астигматизма, хроматизма увеличения и хроматической комы. Чтобы расширить поле зрения, необходимо компенсировать эти аберрации, при этом фокусное расстояние и коррекция остаточных аберраций на оси телескопа не должны измениться.

Двухлинзовый афокальный корректор, установленный в предлагаемой системе катадиоптрического телескопа вблизи плоскости изображения, дает дополнительные коррекционные параметры для исправления внеосевых аберраций. Первая по ходу луча отрицательная линза 4 афокального корректора выполняется из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Осевая толщина мениска служит коррекционным параметром для воздействия на кривизну поля и хроматизм увеличения. Из работы автора известно, что мениски этого типа, ориентированные вогнутостью к плоскости изображения, вводят в систему положительные кривизну поля и хроматизм увеличения, способные при определенной кривизне поверхностей компенсировать отрицательные аберрации этих типов самого телескопа [3]. Кроме того, как выяснилось в процессе аберрационного анализа схемы, такой мениск относительно большой кривизны в состоянии компенсировать хроматическую кому телескопа. Однако он изменяет фокусное расстояние и нарушает коррекцию остаточных осевых аберраций системы. Для компенсации этих нарушений в афокальный корректор вводится положительная плосковыпуклая линза 5, обращенная выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения. Такая форма линзы технологична и не дает бликов, способных фокусироваться вблизи плоскости изображения. Введение афокальным корректором весьма незначительной сферической аберрации в изображение объекта наблюдения позволяет исправить астигматизм всей системы, практически не нарушая при этом качества изображения осевой точки поля зрения.

В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических характеристик, рассмотрим оптическую систему телескопа ТАЛ-300К с афокальным двухлинзовым корректором предлагаемой конструкции. Действующее отверстие телескопа - 300 мм, относительное отверстие - 1:8. Материал линз корректирующего элемента: линза 2 - стекло СТК12; линза 3 - стекло ТК2. Материал линз афокального корректора: линза 4 - стекло ЛФ5; линза 5 - стекло ЛК4. Расстояние от последней поверхности линзы 5 до плоскости изображения 90,5 мм.

На фиг.2 приведены объемные графики полихроматической функции рассеяния точки в видимом диапазоне спектра 486-656 нм для трех углов поля зрения: 2у=0°; 2у=0,5° и 2у=0,75°. Как можно видеть из этих графиков, число Штреля (Strehl) в центре поля составляет 0,94, на краю поля 0,5° - 0,84 и на краю поля 0,75° - 0,8. Как известно, предельное значение этой величины при отсутствии аберраций равно 1, а допустимое с точки зрения качества изображения значение этого числа равно 0,8 (допускается 20% понижение освещенности в центре дифракционного диска - так называемый критерий Штреля - Марешаля). Таким образом, телескоп, снабженный афокальным корректором предлагаемой конструкции, обеспечивает угловое поле 2у=0,75° с практически дифракционным качеством изображения в видимой области спектра. Таким образом, предлагаемая система в видимой области спектра имеет, по крайней мере, в 4 раза большее угловое поле по отношению к прототипу.

На фиг.3 приведены графики концентрации энергии в изображении точки для области спектра 400-700 нм и тех же полей зрения. Указанная спектральная область соответствует цифровому фотоаппарату фирмы Canon (EOS 500 D) с датчиком CMOS на половину формата узкого кадра с диагональю 28 мм. Цифровые фотоаппараты этой марки наиболее часто используются любителями астрономии для съемки небесных объектов. Приведенные графики подтверждают, а точные численные оценки показывают, что при 80% концентрации света эффективный диаметр пятна рассеяния (2R) для центра поля зрения составляет 17,7 мкм. Для системы без афокального корректора та же величина составляет 14,9 мкм. Для края поля 2у=0,5° эффективный диаметр пятна рассеяния составляет 17,9 мкм, а для края поля 2у=0,75° - 19,1 мкм. Тот же диаметр эффективного пятна рассеяния в той же области спектра имеет на краю поля зрения 16' в системе прототипа. Таким образом, предлагаемая система имеет, по крайней мере, в три раза большее фотографическое угловое поле. Отличие эффективных диаметров пятна рассеяния точки в центре поля зрения для системы с афокальным корректором и без него составляет всего 2,8 мкм, то есть величину, чуть большую половины пикселя CMOS-датчика цифрового фотоаппарата. Однако именно такая малая величина изменения пятна рассеяния точки приводит к коррекции астигматизма всей системы. Различие эффективных диаметров пятен рассеяния предлагаемой системы в пределах поля зрения 0,75° мало и не превышает 1,4 мкм. Диаметр эффективного изображения звезды 18-19 мкм в диапазоне спектра 400-700 нм в настоящее время считается вполне приемлемым для фотографических работ. Линейное поле зрения телескопа ТАЛ-300К для угла поля в пространстве предметов 2у=0,75° составляет 32 мм, то есть величину, даже несколько большую диагонали кадра цифрового фотоаппарата - 28 мм.

Таким образом, можно считать обоснованным, что предлагаемая система телескопа с афокальным корректором внеосевых аберраций относительно прототипа имеет в 3-4 раза большее угловое поле изображений высокого качества. Это обеспечивается благодаря наличию новой совокупности отличительных признаков.

1. Перед фокальной плоскостью телескопа установлен афокальный корректор полевых аберраций, состоящий из двух линз.

2. Первая по ходу луча отрицательная линза выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.

3. Вторая положительная линза - плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения.

Таким образом, предлагаемая система телескопа, сохраняя все конструктивные достоинства аналога и прототипа: сферическую форму оптических поверхностей, малый размер корректирующих линз и компактность, обладает по отношению к прототипу в 3-4 раза большим угловым полем зрения в пространстве предметов, что дает возможность применять ее как для визуальных работ, требующих значительных угловых полей (например, поиск комет), так и для астрофотографических работ с цифровыми фотоаппаратами и специализированными ПЗС-матрицами, работающими в диапазоне спектра от 400 до 700 нм.

Наилучшая область применения предлагаемой оптической системы - производство на ее основе серийных, относительно дешевых, малогабаритных универсальных телескопов с относительным отверстием не ниже 1:8 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" Д.Д.Максутова и систему Шмидта-Кассегрена. Последние два типа телескопов предлагаемая система, кроме того, еще превосходит по качеству изображения в широком диапазоне спектра. Предлагаемая система позволяет сравнительно простыми средствами без применения асферических поверхностей и ретуши обеспечить достаточно большое поле хороших изображений размером до 0,75°.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клевцов Ю.А. Катадиоптрический телескоп. // А.с. №605189. Бюл. №16, 1978.

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

3. Клевцов Ю.А. Изопланатический преобразователь фокусного расстояния для катадиоптрического телескопа с менисковым корректором // Оптический журнал. 2006. Т.73, №8, с.50-54.

Катадиоптрический телескоп может быть использован для наблюдений Солнца, Луны и планет. 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 афокальный корректор полевых аберраций, состоящий из двух линз и установленный перед фокальной плоскостью телескопа. Первая по ходу луча отрицательная линза корректора выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая положительная линза корректора - плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения. Технический результат - расширение углового поля зрения изображений высокого качества. 3 ил.

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 афокальный корректор полевых аберраций, состоящий из двух линз, причем первая по ходу луча отрицательная линза выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, а вторая положительная линза - плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения.