Использование сферопризматических элементов для коррекции аберраций децентрированных систем

Размещено на http://allbest.ru

ООО НПП «ВОЛО»

Использование сферопризматических элементов для коррекции аберраций децентрированных систем

Ю.Д. Пименов

Некоторые успехи в проектирование децентрированных оптических систем достигнуты благодаря развитию вычислительных средств. Но и с лучшими программами оптимизации конструктивных параметров систем далеко не всегда удаётся найти приемлемые решения. Теория аберраций II - IV порядков слишком сложна для практического применения, поэтому помощь в разработке могут оказать некоторые практические приёмы. Здесь рассмотрим три метода коррекции аберраций, которые можно применить при работе с оптимизирующими программами.

Взаимная компенсация аберраций апланатических оптических систем. Этот метод применим, например, для синтеза двух и более осевых систем. Апланат - объектив, у которого исправлены кома и сферическая аберрации. Известно множество линзовых и зеркальных апланатов. Установленные последовательно друг за другом апланатические системы при определённых условиях свободны не только от названных аберраций, но и от астигматизма, кривизны изображения, дисторсии.

Рис. 1. Объектив Мерсена с объективом-апланатом.

Заметим, что системы могут не иметь общей оптической оси. Метод был использован автором в проекте солнечного телескопа SOLSIT для обсерватории ИСЗФ РАН. Особенность требований заключалась в необходимости иметь неэкранированный входной зрачок (AD) диаметром 350 мм (рис. 1),

Рис. 2. Частотно-контрастные характеристики объектива Мерсена с объективом-апланатом.

За основу была выбрана зафокальная схема объектива Мерсена, которая удовлетворяет перечисленным требованиям. Она состоит из двух вогнутых параболических зеркал и является апланатической.

На первом этапе разработки система моделируется с безаберрационной (параксиальной) линзой, в процессе которого определяются значения аберраций, подлежащиx корректировке. Следующий этап - оценка допустимости угла наклона оси второго компонента системы относительно первого с тем, чтобы удовлетворить конструктивным особенностям расположения диафрагм, радиаторов, фильтров, датчиков и т.д.. Третий этап - замена параксиальной линзы объективом-апланатом с апохроматической коррекцией аберраций и линзой поля для полного устранения кривизны изображения.

На рис. 1 показана окончательная схема. Излом оси системы уменьшил диаметр осесимметричной параболы главного зеркала с 1287 мм (поле ±0,5^о) до 950 мм (поле 0..+1,0^о). Казалось бы, что это несущественно для обработки реального зеркала, так как размеры в любом случае определятся его световой зоной Ш 360 мм. Но благодаря излому оси асферичность зеркала, соответственно и слой удаляемого стекла, уменьшается более чем в 2 раза - с 59 мкм до 24 мкм при погрешности формообразования менее 0,05 мкм.

Полученная оптическая система по всему полю 1,0^о имеет близкое к дифракционному качество изображения, что следует из точечной диаграммы на рис. 1 (справа) и графиков частотно-контрастных характеристик на рис. 2.

Призменный корректор аберраций. Известно, что оптические призмы и клинья, расположенные в сходящихся световых пучках, вносят в изображение кому, астигматизм, наклон изображения и хроматизм увеличения. Воспользуемся этими свойствами для устранения такой неприятной особенности зеркального объектива, как центральное экранирование входного зрачка вторичным зеркалом. В отражённом от вогнутой параболы наклонном световом пучке присутствуют три первые из перечисленных выше аберраций. Но если её состыковать с несколькими призмами и клиньями, то появится возможность получить зеркальный объектив с не экранированным входным зрачком. Приближённые эмпирические формулы для расчёта параметров призм были приведены автором в [1]. Но современные оптимизирующие программы допускает знание лишь принципов построения корректора. Они заключаются в следующем (рис. 3):

- первая по ходу лучей призма должна стоять так далеко от плоскости изображения, насколько это допустимо из конструктивных соображений.

- угол при вершине порядка 15^О, наклон призмы должен быть минимальным, основание призмы направлено в сторону падающего на главное зеркало пучка. Основная задача призмы -- коррекция комы; для достижения ахроматической коррекции призму необходимо сделать составной из 2-3 марок стекла, например, ОК4 и К8;

- вторая призма (или клин) служит для исправления астигматизма. Определенное соотношение параметров призм устраняет также наклон изображения. Корректирующими параметрами служат углы наклона призм, их положение вдоль оси, толщины и марки стекла.

Рис. 3. Телескоп с призменным корректором.

1 -- входной зрачок объектива, 2 -- зеркало осесимметричное параболическое , 3 -- корректор комы, 4 -- корректор астигматизма, 5 -- плоскость изображения.

Областью применения призменного корректора может быть объектив телескопа для визуальных наблюдений. В отличие от объективов-апохроматов, его апертура ограничена лишь допустимыми габаритами телескопа. В таблице приведены сравнительные характеристики 3-х объективов: объектив-апохромат 12'' ЛЗОС [4, 5], телескоп по схеме Ньютона Levenhuk Ra 300N Dob [6] и расчетные характеристики объектива с призменным корректором Newt-korr 12''. Диаметр апертуры 300 мм (12'') и угловое поле у всех объективов приняты равными. Качество изображения оценивается среднеквадратическим отклонением волнового фронта (СКО) для указанного в таблице спектрального диапазона. Напомним, что практически к идеальным относятся объективы с СКО не более 0,072л.

Объективы-апохроматы ценятся за высококонтрастное изображение без посторонних бликов. Апохроматы применяют для наблюдений планет с максимально возможным увеличением, для целей астрометрии. Апертура 300 мм достаточна для проведения серьёзных наблюдений. Первый из перечисленных телескопов относится к профессиональным инструментам. Прекрасное качество изображения и многие другие достоинства, а также сложность его изготовления отражены в его цене.

Таблица

Второй телескоп предназначен для опытных астрономов-любителей. Центральное экранирование входного зрачка вторичным зеркалом снижает контраст изображения и вызывает неприятные ощущения при наблюдении. Портят изображение и дифракционные артефакты из-за спайдера вторичного зеркала. Но телескоп Ньютона прекрасно подходит для фотографирования звёздных скоплений, туманностей.

Рассчитанный вариант объектива Newt-korr 12'' сочетает апохроматическое качество осевого изображения для видимого диапазона с доступной ценой и отлаженной технологией изготовления параболических зеркал объективов.

Сферопризматические элементы. Профессор М.М. Русинов предлагал использовать в качестве объектива сферопризматический элемент на основе призмы АР-90 (рис. 4).

Рис. 4. Объектив со сферопризматическим элементом.

Его достоинства он объяснял небольшой по сравнению с линзой сферической аберрацией зеркальной поверхности. Для устранения громадных хроматических аберраций добавлялась вторая аналогичная призма, но с плоским катетом. К сферопризматическим элементам можно отнести также и часть крутой плосковыпуклой или плосковогнутой линзы.

Следующие параметры сферопризмы являются коррекционными: угол при вершине, её наклон, радиус кривизны поверхности и марка стекла. Сферопризмы достаточно сложны в изготовлении и юстировке. Для преодоления технологических проблем М.М. Русинов предлагал склеивать отдельно изготовленные линзу и призму. Сферопризмы можно рекомендовать для коррекции больших по абсолютной величине монохроматических аберраций. На рис. 5 показана схема авиационного индикатора [2, 3]. Эти системы находят все большее применение в авиации для отображения показаний приборов и данных бортовых компьютеров. Для удовлетворения жёстких требований по конфигурации и габаритам в индикаторе применена зеркальная сферопризма.

Рис. 5. Авиационный индикатор. 1 -- входной зрачок объектива, 2 -- светоделитель, 3 -- сферопризма, 4 -- объектив, 5 -- плоскость проекционной матрицы.

В результате получены следующие характеристики изображения: геометрический диаметр кружка рассеяния на оси 3 угл. мин., вне оси -- не более 12 угл. мин. при фокусном расстоянии 65 мм, относительном отверстии 1:0,73. оптический сферопризматический зеркальный

Литература

1. Пименов Ю.Д. Авт.свид. СССР № 1506414, 1989 г.

2. Краснова Л.О., Никифоров В.О., Пименов Ю.Д., Сокольский М.Н., Строганов А.А. Оптическая система проекционного бортового индикатора. Патент России № 63559 2007

4. Сайт предприятия ЛЗОС: http://lzos.ru

5. APM - LZOS Telescope Apo Refractor 304/3600 CNC LW II, http://www.professional-telescopes.net/Product-Line/Apochromates/LZOS-Refractors.

6. Владимир Суворов «Обзор телескопа Levenhuk Ra 300N Dob», http://www.shvedun.ru/levra300.htm.

Аннотация

Использование сферопризматических элементов для коррекции аберраций децентрированных систем. Ю.Д. Пименов, ООО НПП «ВОЛО»

Рассмотрены три метода коррекции аберраций децентрированных оптических систем. Приведены примеры внеосевых объективов телескопов, индикаторов на лобовом стекле.

Размещено на Allbest.ru