КАТАДИОПТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 2018 года по МПК G02B17/08 G02B23/00 

Изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в малогабаритных широкоугольных телескопах космического мониторинга с действующим отверстием до 1 м, служащих для проведения высокоскоростных обзоров неба с целью наблюдения быстротекущих процессов и каталогизации космических объектов, сближающихся с Землей на опасное расстояние.

Известен 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, 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 [1].

Однако такая схема телескопа применима только для систем сравнительно малой светосилы (относительное отверстие не выше 1:6) при действующем отверстии до 250 мм в спектральном диапазоне цифровой фотографической аппаратуры 400-700 нм, обеспечивая угловое поле до 1,3°. В диапазоне рабочей области спектра 400-850 нм высокочувствительных астрономических ПЗС-матриц при действующем отверстии 1 м такая схема телескопа не в состоянии обеспечить изображения звезд, сопоставимые с размерами пикселя приемной матрицы, что приводит к потере разрешающей и проницающей способности телескопа, кроме того, эта схема не свободна от паразитного света.

Прототипом изобретения является катадиоптрический телескоп с трехлинзовым компенсатором внеосевых аберраций, установленным 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 [2].

За счет того, что квазиафокальная часть линзового компенсатора находится впереди силового линзового блока, такая схема катадиоптрического телескопа практически освобождена от паразитного света и обеспечивает значительно лучшее качество изображения на угловом поле 1,3°, однако и она применима только для систем сравнительно малой светосилы (относительное отверстие не выше 1:6) при действующем отверстии до 350 мм в спектральном диапазоне цифровой фотографической аппаратуры 400-700 нм.

Таким образом, основным недостатком прототипа является невозможность обеспечить надлежащее качество изображения звезд в спектральном диапазоне работы 400-850 нм при действующем отверстии, превосходящем 350 мм, а также невозможность повышения эквивалентного относительного отверстия свыше значения 1:6, и углового поля свыше величины 1,3°. Указанных параметров схемы недостаточно для проведения высокоскоростных обзоров неба с требующейся в настоящее время предельной проницающей способностью телескопа +20^m.

Задачей изобретения является создание катадиоптрического телескопа, обеспечивающего требуемое качество изображения звезд в диапазоне спектра 400-850 нм (80% энергии света от точечного объекта, достигающей плоскости изображения, должно быть сосредоточено в пикселе ПЗС-матрицы) при действующем отверстии системы 1 м, обеспечивающем необходимую проницающую способность телескопа, а также повышение эквивалентного относительного отверстия до значения 1:3, необходимого для создания малогабаритной системы с небольшим значением полевого виньетирования на угловом поле 2°.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в катадиоптрическом телескопе, содержащем установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало, корректирующий элемент и установленный перед фокальной плоскостью линзовый компенсатор внеосевых аберраций, состоящий из афокальной и силовой частей, первая из которых выполнена в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая, силовая, часть компенсатора выполнена из шести одиночных линз с чередованием оптических сил по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/-, при этом все линзы выполнены из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии, а отрицательные линзы выполнены из стекла с показателем преломления не выше n_e≤1,525.

В оптической схеме прототипа изопланатический линзовый компенсатор внеосевых аберраций, за счет введения в систему небольшой сферической аберрации, исправляет такую вредную для качества изображения полевых точек аберрацию, как астигматизм. Однако при увеличении действующего отверстия системы до 1 м и увеличении относительного отверстия до 1:3 требуется исправление сферической аберрации, полная коррекция которой в схеме прототипа принципиально невозможна.

Исправить астигматизм, кому и сферическую аберрацию, а также их хроматические составляющие можно, применив многолинзовую схему силовой части компенсатора внеосевых аберраций, которая, в свою очередь, должна состоять из отрицательной и положительной частей, каждая из которых включает не менее трех линз для действующего отверстия системы 1 м с относительным отверстием 1:3. Оптимальные результаты коррекции высших аберраций достигаются при чередовании оптических сил силовых компонентов линзового компенсатора по ходу луча соответственно: -/+/-/+/+/-. Вторичный хроматизм увеличения является наиболее вредной аберрацией изображения в устройствах такого рода [3]. Для его коррекции все линзы компенсатора необходимо выполнять из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии, а для уменьшения высших аберраций для положительных и отрицательных линз необходимо использовать стекла с максимальной разностью коэффициентов дисперсии, причем для отрицательных линз необходимо использовать стекло с показателем преломления n_e≤1,525.

В результате этих совокупных мер происходит уменьшение эффективного пятна рассеяния от точечного объекта (звезды) как в центре, так и на краях углового поля 2° при действующем отверстии системы 1 м и эквивалентном относительном отверстии 1:3.

Заявителю не известны катадиоптрические телескопы, обладающие признаками, сходными с признаками, отличающими предлагаемый катадиоптрический телескоп от прототипа. Катадиоптрический телескоп с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема катадиоптрического телескопа с ходом осевых лучей.

Фиг. 2 - распределение энергии света.

Схема катадиоптрического телескопа содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало 1, корректирующий элемент 2 и установленный перед фокальной плоскостью линзовый компенсатор внеосевых аберраций 3, состоящий из афокальной 3(1) и силовой 3(2) частей. Афокальная часть линзового компенсатора 3(1) выполнена в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Силовая часть компенсатора 3(2) выполнена из шести одиночных линз с чередованием оптических сил по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/-. Все линзы выполнены из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии, а отрицательные линзы выполнены из стекла с показателем преломления не выше n_e≤1,525.

Третья и четвертая по ходу луча линзы силовой части компенсатора разделены воздушным промежутком. Первые три линзы силовой части образуют отрицательный блок, три последних линзы образуют положительный блок. Плоскость изображения находится внутри системы перед лицевой поверхностью главного зеркала.

Лучи света, отражаясь от главного зеркала 1, проходят через линзы корректирующего элемента 2 и, отражаясь от зеркальной поверхности корректирующего элемента, идут обратно через корректор, выходя из которого собираются линзами компенсатора внеосевых аберраций 3, из которого выходят приблизительно телецентрическими пучками и фокусируются в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии перед главным зеркалом 1.

Обоснуем возможность достижения в схеме предложенного катадиоптрического телескопа заявленных технических характеристик.

Причиной ограничения диаметра действующего отверстия, углового поля и эквивалентного относительного отверстия катадиоптрического телескопа-прототипа, имеющего единственный положительный силовой компонент компенсатора внеосевых аберраций, являются сферическая аберрация и остаточные полевые аберрации высшего порядка, в их числе хроматические, а также остаточный хроматизм увеличения.

В предлагаемом катадиоптрическом телескопе приняты меры к уменьшению указанных аберраций, состоящие в том, что силовая часть компенсатора выполнена из шести одиночных линз с чередованием оптических сил по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/-, при этом все линзы выполнены из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии, а отрицательные линзы выполнены из стекла с показателем преломления не выше n_e≤1,525.

Выполнение силовой части компенсатора 3(2) из шести одиночных линз, образующих отрицательный и положительный блоки, создает возможность исправления сферической аберрации, комы и астигматизма всей системы, а также позволяет уменьшить оптическую силу линз, составляющих силовую часть компенсатора. За счет этого уменьшаются полевые аберрации высшего порядка в рабочей области спектра 400-850 нм. Чередование оптических сил в силовой части компенсатора 3(2) по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/- обеспечивает минимально возможные в предлагаемой схеме полевые аберрации высших порядков. Выполнение всех линз силовой части из стекла с близкими значениями относительной частной дисперсии и показателем преломления стекла отрицательных линз не выше n_e≤1,525 дает возможность уменьшения остаточного хроматизма увеличения, а также хроматических аберраций высшего порядка.

В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических характеристик, рассмотрим схему катадиоптрического телескопа для космического мониторинга с действующим отверстием 1 м, имеющего угловое поле 2° и эквивалентное относительное отверстие 1:3. Конструктивные данные такой системы телескопа приводятся в таблице 1.

Относительное отверстие катадиоптрического телескопа (компоненты 1 и 2), равное 1:5,25, увеличивается линзовым компенсатором внеосевых аберраций до 1:3. Квазиафокальный отрицательный мениск 3(1) расположен примерно посередине между главным зеркалом 1 и корректором 2. Удаление линзового компенсатора 3 от корректора 2 ухудшает качество изображения. Приближение его к корректору улучшает качество изображения, но приводит к виньетированию фаской мениска 3(1) центральной части пучков лучей, идущих от главного зеркала (см. ход лучей фиг. 1).

В таблице 1: * Стекло каталога фирмы SCHOTT; ** стекло каталога фирмы OHARA, *** стекло отечественного каталога ГОСТ 3514-94, i - номер поверхности по ходу луча (см. фиг. 1, входной зрачок совпадает с вершиной поверхности главного зеркала 1); r_i - радиусы кривизны поверхностей; d_i - толщины линз и воздушные промежутки; n_ie - показатели преломления материалов для линии спектра e (λ=546,07 нм); ∅_i - диаметр поверхности; s^/ - положение плоскости изображения относительно вершины последней поверхности системы; - эквивалентное фокусное расстояние. Все линейные параметры системы указаны в миллиметрах.

Виньетирование пучка лучей на краю поля для указанного положения линзового компенсатора в схеме с конструктивными параметрами, заданными таблицей 1, несущественное, и для углового поля 2° составляет около 9% при центральном экранировании пучка лучей около 13%. Плоскость изображения легко доступна и находится внутри системы на расстоянии 36 мм от вершины главного зеркала 1.

Положительные линзы силовой части компенсатора внеосевых аберраций выполнены из стекла с особым ходом дисперсии S-FPL53 фирмы OHARA, а отрицательные - из отечественного стекла КФ4 ГОСТ 3514-94, имеющего показатель преломления n_e=1,52027. Эти стекла имеют максимальную разность коэффициентов дисперсии Δν_e=35,78 и близкие значения относительных частных дисперсий в области спектра 404,66-852,11 нм, за счет чего обеспечивается хорошая коррекция вторичного хроматизма увеличения в указанной области спектра (поперечный хроматизм в плоскости изображения не более 10 мкм в пределах поля зрения 2°).

Схема с конструктивными параметрами, заданными таблицей 1, рассчитана на применение с высокочувствительными астрономическими ПЗС-матрицами типа CCD44-82, имеющими размеры чувствительного пикселя p×p=15×15 микрон.

На фиг. 2 показаны кривые распределения энергии света в области спектра 400-850 нм. Кривая 1 характеризует относительную спектральную чувствительность ПЗС-матрицы CCD44-82. Кривая 2 характеризует пропускание массы стекла системы и рассчитана для предметного нулевого луча, идущего через центр главного зеркала 1 без учета потерь света на отражающих и преломляющих поверхностях системы. Кривая 3 характеризует совокупную, полученную сложением кривых 1 и 2, относительную спектральную чувствительность k_λ телескопа (предполагается, что в диапазоне спектра 400-850 нм поверхности зеркал, покрытые слоем алюминия, и многослойные просветляющие интерференционные покрытия поверхностей линз не могут изменить существенным образом форму этой кривой). Кривая 3 имеет максимум для λ≈550 нм и практически одинаковые значения на краях спектрального диапазона 400-850 нм k≈0,5. Оценка размеров квадратной площадки изображения (p×p микрон с 80% концентрацией света точечного объекта) для системы с параметрами, заданными таблицей 1, выполненная с учетом значений кривой 3 для десяти линий спектра в пределах углового поля зрения (2ω°), приведена в таблице 2. Таблица 2 характеризует качество изображения предлагаемой системой точечного объекта (звезды). Из данных таблицы 2 следует, что в центре поля 80% энергии света, доходящего до плоскости изображения, укладывается в площадку 7,8×7,8 микрон. На краю поля 2ω=1,6°÷2,0° то же количество света укладывается в площадку 17,1×17,1 мкм, что лишь незначительно превышает размеры чувствительного пикселя матрицы CCD44-82 (15×15 мкм).

Таким образом, можно считать обоснованным, что предлагаемая схема катадиоптрического телескопа обеспечивает хорошее качество изображения звезд при диаметре действующего отверстия 1 м на угловом поле 2° при эквивалентном относительном отверстии 1:3.

Предлагаемая схема катадиопрического телескопа, сохраняя конструктивные достоинства аналога и прототипа: сферическую форму оптических поверхностей и малый размер корректирующих линз, дает возможность продвинуться в область больших действующих отверстий и угловых полей, составляющих соответственно 1 м и 2° при увеличении эквивалентного относительного отверстия с 1:6 до 1:3, что обеспечивает исключительную компактность схемы (длина по оси всего в 1,57 раза больше диаметра действующего отверстия).

Благодаря этим достоинствам предлагаемую схему катадиоптрического телескопа можно рекомендовать для использования в малогабаритных широкоугольных телескопах космического мониторинга с действующим отверстием до 1 м, служащих для проведения высокоскоростных обзоров неба с целью наблюдения быстротекущих процессов и каталогизации космических объектов, сближающихся с Землей на опасное расстояние.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клевцов Ю.А. Катадиоптрический телескоп // Патент RU на изобретение №2248024, МПК G02B 23/06, G02B 17/08, дата приоритета 13.05.2002 г.

2. Клевцов Ю.А. Катадиоптрический телескоп // Патент RU на изобретение №2443005, МПК G02B 17/08, дата приоритета 30.04.2010 г.

3. Клевцов Ю.А. Новые серийные телескопы и аксессуары. / Под ред. Карпова С.В., Новосибирск: Издательство СО РАН, 2014. - 312 с.

Катадиоптрический телескоп может быть использован для обнаружения и каталогизации космических объектов в области спектра 400-850 нм. Катадиоптрический телескоп содержит главное вогнутое сферическое зеркало 1, корректирующий элемент 2 и установленный перед фокальной плоскостью телескопа линзовый компенсатор внеосевых аберраций 3, состоящий из афокальной 3(1) и силовой 3(2) частей. Афокальная часть 3(1) выполнена в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Силовая часть 3(2) выполнена из шести одиночных линз с чередованием оптических сил по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/-. Все линзы выполнены из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии. Отрицательные линзы выполнены из стекла с показателем преломления n_e≤1,525. Технический результат - обеспечение действующего отверстия 1 м, эквивалентного относительного отверстия 1:3, углового поля 2° с 80%-ной концентрацией энергии света точечного объекта в центре поля в пикселе ПЗС-матрицы. 2 ил., 2 табл.

Катадиоптрический телескоп, содержащий установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало, корректирующий элемент и установленный перед фокальной плоскостью линзовый компенсатор внеосевых аберраций, состоящий из афокальной и силовой частей, первая из которых выполнена в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, отличающийся тем, что вторая, силовая, часть компенсатора выполнена из шести одиночных линз с чередованием оптических сил по ходу луча соответственно -/+/-/+/+/-, при этом все линзы выполнены из стекол с близкими значениями относительной частной дисперсии, а отрицательные линзы выполнены из стекла с показателем преломления n_e≤1,525.