НОВЫЕ СВЕТОСИЛЬНЫЕ ОБЪЕКТИВЫ - АПОХРОМАТЫ ДЛЯ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полный текст

Построенные в 18-19 вв. астрономические рефракторы, которые изготавливались из двух марок обычного оптического стекла (крон и флинт), обладают значительным вторичным спектром. В начале двадцатого века, после работ Аббе, на заводе Шотта появились новые марки стекол под названием «курцфлинты» с помощью которых можно строить рефракторы с укороченным вторичным спектром [1]. Лыткаринский Завод Оптического Стекла разработал и выпускает новые стекла марок ОФ6 (особый флинт) и ОК4 (особый крон, по своим дисперсионным свойствам напоминает кристаллы флюорита). Именно 17 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 эти, пока еще, дорогие стекла были использованы при расчете новых светосильных апохроматов. Известны объективы апохроматы, состоящие из нескольких линз выполненных из нескольких марок стекла, где вследствие большой величины фокусного расстояния астрономических линзовых объективов величина вторичного спектра становится значительной и заметно влияет на качество изображения. При больших относительных отверстиях объективов, предназначенных для астрофотографии, необходимо исправлять и сферохроматическую аберрацию, действие которой аналогично действию вторичного спектра [1]. Применение особых стекол позволило рассчитать объективы диаметром до 250 мм и относительным отверстием до 1:3 с высоким качеством изображения. Расчет проводился в специальной оптимизирующей программе CODE V [2]. Все рассчитанные объективы содержат шесть линз - трехлинзовый объектив и трехлинзовый корректор поля. Это позволило безупречно устранить сферическую аберрацию, астигматизм и кривизну поля. Дис-торсия практически равна нулю. Единственной недо-исправленной аберрацией является кома высших порядков. Оптическая схема рассчитанных апохроматов приведена на рис. 1, где в объективе первая линза отделена значительным воздушным промежутком от остальных двух с целью лучшего исправления сферохроматической аберрации. Заднее рабочее расстояние объектива q имеет значительную величину, что очень удобно, так как позволяет использовать различное вспомогательное оборудование (колесо со светофильтрами, фокусер и прочее) [3]. В табл. 1-3 приведены конструктивные параметры систем, различных диаметров и относительных отверстий, где r - радиус кривизны оптической поверхности по ходу луча, d - толщина линзы или расстояние между оптическими элементами. В последней графе приведен материал линз. Расстояние от последней поверхности объектива до фокальной плоскости - q, приведено в последней строке второй графы таблицы. Объективы, приведенные в табл. 1 и 2, дают близкое к дифракционному качество изображения по всему полю - 2ю = 4,5 градуса. Спектральный диапазон, для которого исправлялись хроматические аберрации X = 0,486-0,656 мкм. Линейное поле изображений составляет 52 мм. Объектив № 3 имеет еще более высокое качество изображения, что позволяет использовать его в качестве визуальной оптической трубы. Все поверхности линз имеют сферическую форму. 1 плоскость Рис. 1. Оптическая схема апохроматического объектива: 1 - трехлинзовый объектив; 2, 3 трехлинзовый корректор поля; q - задний рабочий отрезок; F - фокальная плоскость Таблица 1 Конструктивные данные для объектива диаметром 205 мм, f/3 r, мм d, мм Материал 615.4181 30.0000 ОК4 -422.7848 30.5690 Воздух -367.9253 8.4500 OF6 2198.4770 1.3000 Воздух 385.8102 22.0000 ОК4 53403.0000 439.3716 Воздух 229.3745 15.0000 ОК4 -755.6668 63.8822 Воздух -315.3995 7.8000 OF6 -964.4873 113.9574 Воздух -275.5883 6.5000 OF6 1037.5370 40.0000 Воздух 18 Математика, механика, информатика Таблица 2 Конструктивные данные для объектива диаметром 170 мм, f/4 г, мм d, мм Материал 668.2626 22.0000 ОК4 -453.7245 36.5955 Воздух -392.6650 8.4500 OF6 2448.9851 1.3000 Воздух 427.7769 18.0000 ОК4 -7594.3498 532.7914 Воздух 212.3154 13.0000 ОК4 -1030.0242 62.5172 Воздух -349.9245 7.8000 OF6 -603.6320 71.9943 Воздух -278.2124 6.5000 OF6 526.9286 63.0000 Воздух Таблица 3 Конструктивные данные для объектива диаметром 135 мм, f/5 г, мм d, мм Материал 656.5689 17.0000 ОК4 -453.9426 36.9528 Воздух -391.7346 8.0000 OF6 2337.1405 1.0000 Воздух 427.2101 14.0000 ОК4 -7535.6494 534.6116 Воздух 207.5663 11.0000 ОК4 -1061.7002 62.9912 Воздух -370.9875 7.0000 OF6 -675.6085 72.6170 Воздух -262.6651 6.0000 OF6 558.9767 63.0000 Воздух Рис. 2. Пятна рассеяния в фокальной плоскости апохроматического объектива в зависимости от угла поля зрения. Серые квадраты имеют размер 25x25 мкм В качестве примера, для экономии места, приведем графики аберраций одного из рассчитанных объективов (табл. 2). Диаметр = 170 мм, фокусное расстояние = 682 мм, относительное отверстие = 1:4, основная длинна волны = 0,58 мкм, угловое поле зрения в пространстве предметов = 4,4 градуса, линейное поле зрения в пространстве изображений = 52,5 мм. На рис. 2 приведены точечные диаграммы пятен рассеяния для пяти углов поля зрения. Среднеквадратичный размер пятен рассеяния составляет 2,6 мкм на оси и 3,5 мкм для угла 2,2 градуса. Диаметр кружка Эри составляет 4 мкм. Полный размер пятен рассеяния можно определить на рис. 3, где представлена зависимость размера пятна рассеяния от количества энергии собранного объективом в пятне. 100 % энергии попадает в пятно размером 4,3 мкм в центре и 8,5 мкм на краю поля зрения. Рис. 4 содержит графики сферической аберрации, астигматизма и дисторсии в %. Видно, что продольная сферическая (а также и сферохроматическая) аберрации малы, астигматизм исправлен очень хорошо, а дисторсия вообще практически равна нулю. 19 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 Рис. 3. Графики концентрации световой энергии в пятне рассеяния в фокальной плоскости апохроматического объектива Рис. 4. Графики продольной сферической аберрации, астигматизма и дисторсии 20 Математика, механика, информатика Рис. 5. График частотно-контрастной характеристики объектива при действующем отверстии 170 мм (относительное отверстие 1:4) На рис. 5 показаны графики частотноконтрастной характеристики предлагаемого объектива, из которых видно, что по уровню контраста 0,5 объектив имеет разрешающую способность 135 лин./мм на краю поля и 150 лин./мм в центре. Это очень высокие значения. Рассчитанные апохроматические объективы могут быть применены для фотографирования звездного неба с использованием современных ПЗС-матриц с большим размером чипа и малым размером пикселя, например для поиска переменных звезд [4; 5] или визуального наблюдения при помощи окуляров. Наилучшая область применения предлагаемых объективов - производство астрономических телескопов до 250 мм диаметром, высокой светосилы и большого поля изображения.

Об авторах

С. А. Веселков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: slovoktk@mail.ru
Россия, 660014, г. Красноярск, просп. имени газ. «Красноярский рабочий», 31

Е. Г. Лапухин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: рulsar1963@yandex.ru
Россия, 660014, г. Красноярск, просп. имени газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы