Объектив зеркально-линзового телескопа Российский патент 2022 года по МПК G02B17/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве объектива телескопических систем для астрономических и иных визуальных наблюдений, фото и видео регистрации.

В астрономии широко используются телескопы с главным параболическим зеркалом. Из теории аберраций оптических систем известно, что параболическое зеркало способно построить свободное от аберраций изображение бесконечно удаленной точки (звезды) в фокальной плоскости, строго на оси. Однако все другие точки изображения будут аберрированы. Основными аберрациями параболического зеркала являются кома и астигматизм, при этом именно кома сильно ограничивает поле зрения телескопов с умеренным относительным фокусом. Так, например, для классического любительского телескопа системы Ньютона с диаметром главного зеркала 8 дюймов и относительным фокусным расстоянием F/6, полное поле зрения в пространстве изображений, свободное от комы составляет всего чуть более 12 угловых минут. А если говорить о более современных, так называемых «быстрых» телескопах, имеющих главное параболическое зеркало с относительным фокусным расстоянием F/3, то свободное от комы поле составит менее 4-х угловых минут, что недостаточно для проведения полноценных наблюдений. Поэтому в объективах телескопов Ньютона с параболическим главным зеркалом для увеличения поля зрения используют субапертурные корректоры поля.

Известен объектив телескопа Ньютона с главным параболическим зеркалом с корректором Винна [С.G. Wynne, Appl. Opt. 6, 1227 (1967)]. Корректор состоит из четырех линз со сферическими поверхностями, разделенных воздушными промежутками. Все линзы выполнены из одного материала. Корректор установлен по ходу лучей, отраженных главным зеркалом, перед фокусом главного зеркала, на дистанции от точки фокуса порядка 10% фокусного расстояния зеркала.

Недостатком этого технического решения является тот факт, что корректор вносит дополнительное центральное экранирование зрачка телескопа, что приводит к снижению контраста изображения.

Известен объектив телескопа Ньютона с менисковым корректором [US Patent 4718753, Jan. 12, 1988 Telescope with correcting lens], состоящим из одной менисковой линзы, обращенной вогнутой стороной к главному зеркалу, имеющей одинаковые по величине радиусы сферических поверхностей или, как вариант исполнения, корректор может состоять из двух линз (плосковогнутой и плоско-выпуклой) с одинаковыми радиусами сферических поверхностей и изготовленных из одного материала, разделенных воздушным промежутком. Корректор устанавливается вблизи фокуса главного зеркала, между вторичным зеркалом и плоскостью изображения.

Недостатками этого технического решения являются низкое качество изображения и малое поле зрения, свободное от аберраций. Кроме того, для обеспечения приемлемого качества изображения необходимо устанавливать мениск как можно ближе к главному зеркалу, что приведет к экранированию входного зрачка телескопа корректором, который частично перекроет лучи, идущие из пространства предметов к главному зеркалу.

Все известные типы объективов телескопов с субапертурными линзовыми корректорами имеют общее свойство: корректоры в них установлены перед фокусом первичного зеркала и, как правило, вносят дополнительное центральное экранирование входного зрачка телескопа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является объектив с корректором, который установлен за фокальной плоскостью его главного параболического зеркала является зеркальный корректор (вторичное зеркало), и такой объектив известен как система Грегори [Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. Л., Наука, 1979, стр. 299]. Объектив Грегори состоит из оптически связанных расположенных по ходу луча главного параболического зеркала и вторичного вогнутого эллиптического зеркала, установленного за фокусом главного зеркала. Объектив обеспечивает прямое изображение.

Недостатками этого технического решения являются:

- малое относительное отверстие (1:15-1:20) из-за наличия остаточных аберраций;

- принципиальное наличие центрального экранирования входного зрачка объектива телескопа корректором (зеркалом);

- значительное удлинение фокусного расстояния системы и габаритов трубы в осевом направлении из-за наличия увеличения на вторичном зеркале, что также ведет к росту астигматизма и кривизны поля;

- асферическая поверхность вторичного зеркала (эллипсоид).

Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции зеркального объектива с линзовым корректором с высокими техническими характеристиками.

Технический результат заключается в увеличении контраста изображения, увеличении относительного отверстия, уменьшении габаритной длины объектива и увеличении углового поля зрения оптической системы при сохранении высокого качества изображения и отсутствии дополнительного экранирования входного зрачка объектива элементами корректора.

Это достигается тем, что объектив зеркально-линзового телескопа выполненный из оптически связанных между собой и расположенных по ходу луча главного параболического зеркала, вторичного плоского зеркала, расположенного под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала и линзового корректора поля, расположенного за фокальной плоскостью главного параболического зеркала, согласно изобретению, линзовый корректор поля содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу главного зеркала, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, две двояковыпуклые линзы и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу объектива телескопической системы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема объектива зеркально-линзового телескопа с корректором поля главного зеркала, на фиг. 2 - оптическая схема линзового корректора поля главного зеркала, на фиг. 3 - график частотно-контрастной характеристики, на фиг. 4 - график изменения полихроматического числа Штреля по полю зрения, на фиг. 5 - график изменения контраста изображения по полю.

Оптическая схема объектива зеркально-линзового телескопа с корректором поля главного зеркала (фиг. 1) содержит оптически связанные между собой расположенные по ходу луча главное параболическое зеркало 1, вторичное плоское зеркало 2, расположенное под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала 1 и линзовый корректор 3 поля главного параболического зеркала 1, расположенный за фокальной плоскостью F_гз главного параболического зеркала 1.

Оптическая схема линзового корректора 3 поля главного зеркала 1 (фиг. 2) содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу F_гз главного параболического зеркала 1, двояковыпуклую линзу 5, двояковогнутую линзу 6, две двояковыпуклые линзы 7 и 8 и отрицательный мениск 9, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу F_экв объектива телескопической системы.

Объектив зеркально-линзового телескопа работает следующим образом.

Лучи, идущие от удаленного предмета, собираются главным параболическим зеркалом 1, отражаются от него и попадают на вторичное плоское зеркало 2, отражаются им под углом 90 градусов к оптической оси главного параболического зеркала 1 и собираются за пределами трубы объектива телескопа, в фокальной плоскости F_гз главного параболического зеркала 1. Далее лучи попадают на первую линзу линзового корректора 3 и последовательно преломляясь на поверхностях шести линз корректора 3, фокусируются в эквивалентном фокусе F_экв телескопической системы. По пути следования лучей происходит коррекция аберраций. Угловое увеличение корректора 3 объектива близко к единице, поэтому эквивалентное фокусное расстояние системы остается равным фокусному расстоянию главного параболического зеркала 1, что не приводит к уменьшению относительного отверстия всей оптической системы. Все преломляющие поверхности линз -сферические. Изображение, построенное объективом - прямое.

В качестве примера рассчитан объектив телескопа Ньютона с главным параболическим зеркалом диаметром 203 мм, относительным отверстием 1:6 и корректором со следующими техническими характеристиками:

- Рабочий спектральный диапазон, нм 470-670 - Увеличение корректора, крат 1 - Поле зрения в пространстве предметов, 2ω, град 0,5

Высокое качество изображения, создаваемого предложенным объективом с корректором, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5.

На Фиг. 3 приведен график частотно-контрастной характеристики объектива телескопа с корректором. По оси абсцисс отложена пространственная частота в миллиметрах, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах.

На Фиг. 4 представлен график изменения полихроматического числа Штреля по полю. По оси абсцисс отложена координата полевой точки в градусах, а по оси ординат - модуль передаточной функции. На графике также показан дифракционный предел согласно критерию Рэлея.

На Фиг. 5 показаны графики изменения контраста по полю в сагиттальной и меридиональной плоскостях для пространственной частоты 60 линий/мм.

Таким образом, объектив телескопа с корректором поля параболического главного зеркала обеспечивает увеличение рабочего поля зрения телескопа за счет исправления основных аберраций главного зеркала - комы и астигматизма при высоком относительном отверстии (1:6 и выше) и уменьшении габаритов трубы телескопа, а корректор объектива не вносит дополнительного экранирования, что благоприятно сказывается на контрасте изображения.

Использование изобретения позволяет увеличить свободное от аберраций угловое поле зрения объектива телескопа, увеличить относительное отверстие, увеличить контраст изображения, уменьшить габаритную длину объектива ввиду отсутствия увеличения корректора и полностью исключить центральное экранирование входного зрачка объектива телескопа оптическими элементами корректора.

Изобретение может быть использовано в качестве объектива телескопических систем для астрономических и иных визуальных наблюдений, фото и видео регистрации. Объектив выполнен из оптически связанных между собой и расположенных по ходу луча главного параболического зеркала, вторичного плоского зеркала, расположенного под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала, и линзового корректора поля, расположенного за фокальной плоскостью главного параболического зеркала. Линзовый корректор поля содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу главного зеркала, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, две двояковыпуклые линзы и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу объектива телескопической системы. Технический результат - увеличение контраста изображения и относительного отверстия, уменьшение габаритной длины и увеличение углового поля зрения при сохранении высокого качества изображения и отсутствии дополнительного экранирования входного зрачка объектива. 5 ил.

Объектив зеркально-линзового телескопа, выполненный из оптически связанных между собой и расположенных по ходу луча главного параболического зеркала, вторичного плоского зеркала, расположенного под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала, и линзового корректора поля, расположенного за фокальной плоскостью главного параболического зеркала, отличающийся тем, что линзовый корректор поля содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу главного зеркала, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, две двояковыпуклые линзы и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу объектива телескопической системы.