Объективы телескопических систем

Основные оптические характеристики телескопической системы.

Основными оптическими характеристиками любой телескопической системы являются:

Гт - видимое увеличение,

2ω - угловое поле,

D' - диаметр выходного зрачка.

В некоторых случаях необходима информация по остальным характеристикам:

аР (sР), zР - положение входного зрачка;

а'Р (s'Р), z'Р - удаление выходного зрачка,

D - диаметр входного зрачка;

L - длина системы;

βобс (βпр.с) - линейное увеличение линзовой (призменной) оборачивающей системы;

ψ - угловой предел разрешения;

kω - коэффициент виньетирования.

Гт= tgω ′/tgω

(39)

Отношение тангенса углов ω и ω′ называют угловым увеличением,а так как ω′ определяет видимую величину изображения, то угловое увеличение телескопической системы называют видимым увеличением или просто увеличением телескопической системы Гг. Если отношение тангенсов углов, под которыми предмет виден через оптическую систему ω′ и не вооруженным глазом ω положительно, то изображение предмета прямое, если отрицательно, то перевернутое.

Увеличение может быть выражено отношением диаметров входного D и выходного D′ зрачков.

Угловое поле телескопической системы характеризует угловую величину резко изображаемого пространства предметов. В системе с положительным окуляром оно ограничено диафрагмой, установленной в передней фокальной плоскости окуляра, где получается промежуточное изображение. Угловое поле 2ω телескопической системы определяется возможным

угловым полем 2ω′, окуляра выбранного типа как более сложного элемента оптической системы.

Удаление или вынос выходного зрачка не должно быть меньше 10-12 мм иначе трудно будет совместить с ним зрачок глаза, но имеется ряд телескопических систем, где удаление выходного зрачка требуется порядка 10-50 мм.

Разрешающую способность телескопической системы оценивают в угловой мере. Ее величина должна находиться в соответствии с разрешающей способностью глаза. Следовательно, разрешающая способность в пространстве предмета ψт=60′′/Гт. разрешающей способности телескопической системы должна соответствовать и разрешающая способность объектива, которая определяется по

формуле

ψоб=140′′/D.

(40)

Приравниваем эти разрешающие способности

60′′/Гт=140′′/D, получаем Гт=Гп=∆160/140=0.430

Увеличение Гп, определяемое называется полезным увеличением телескопической системы.

Объектив (от лат. objectus - предмет), обращенная к объекту часть оптической системы или самостоятельная оптическая система, формирующая действительное оптическое изображение объекта. Это изображение либо рассматривают в окуляр, либо получают на поверхности фотографического светочувствительного слоя, фотокатода передающей телевизионной трубки или электронно-оптического преобразователя, матового стекла или экрана.

Конструктивно объективы делятся на три класса:

- наиболее распространенные линзовые (рефракторы, диоптрические),

- зеркальные (рефлекторы, катадиоптирические),

- зеркально-линзовые (катадиоптрические).

По назначению объективы разделяют на:

- объективы зрительных труб и телескопов, которые дают уменьшенное изображение;

- объективы микроскопов, дающие увеличенное изображение;

- фотографические и проекционные объективы, дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.

Важнейшими оптическими характеристиками объектива являются:

- фокусное расстояние;

- оптическое увеличение объектива;

- диаметр входного зрачка объектива;

- относительное отверстие и выражающаяся через него светосила объектива;

- поле зрения объектива.

Качество формируемого объективом изображения характеризуется

- разрешающей способностью объектива;

- коэффициентом передачи контраста,

- коэффициентами интегрального и спектрального пропускания света;

- коэффициентом светорассеяния в объективе,

- падением освещенности по полю изображения.

Расстояние до объектов, рассматриваемых в зрительные трубы и телескопы, предполагается очень большим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угловыми размерами. Характеристиками объективов данной группы служат:

- угловое увеличение γ,

- угловая разрешающая способность α и

- угол поля зрения 2ω = 2 ω' / γ,

где 2ω ' - угол поля зрения следующей за объективом части оптической системы (обычно окуляра).

- Разрешающая способность объектива в угловых секундах определяется по формуле:

α= 120” / D

(41)

где D - выраженный в мм диаметр входного зрачка объектива.

Наибольшее распространение получили двухлинзовые объективы (рисунок 4 а-в). Конструктивно они выполняются как склеенными, так и не склеенными. В двухлинзовом объективе (дублете) одна из линз имеет положительную оптическую силу и выполняется из стекол типа крон, обладающих малой дисперсией; другая линза имеет отрицательную оптическую силу и выполняется из стекол типа флинт с большой дисперсией. Только в этом случае достигается исправление хроматизма положения при положительной оптической силе всего объектива.

Рисунок 54. Объективы

Выбором соответствующей формы линз удается выполнить коррекцию сферической аберрации, а при подборе марок стекол можно повлиять и на другие аберрации, в частности на кому. Склейка двух линз позволяет уменьшить потери света на отражение, однако при использовании современных методов просветления оптических поверхностей это не так существенно, как было раньше.

В склеенном дублете - ахромате достигается хорошее исправление аберраций для относительного отверстия до 1:5 и угловом поле 2ω≤10^о (при мм f ₁' ≤ 200. Вариант «флинт впереди» позволяет несколько расширить полевые углы. Не склеенный дублет имеет больше свободных параметров, обладает предпочтительными возможностями по исправлению аберраций. Кроме того, такая конструкция позволяет при сборке получать точно заданное значение фокусного расстояния за счет изменения расстояния между линзами.

Трехлинзовый объектив (рисунок 54, г) обеспечивает более высокую коррекцию аберраций, особенно хроматических, применительно к системам большого увеличения, например, для геодезических инструментов. Для сокращения длин зрительных труб в указанных приборах часто используют телеобъективы (рисунок 54, е), у которых в сходящемся пучке лучей после первого компонента из трех линз устанавливается еще второй двухлинзовые компонент. Перемещение этого компонента вдоль оптической оси может быть использовано для фокусировки зрительной трубы.

Четырехлинзовый объектив из двух склеенных дублетов (рисунок 54, д) позволяет повысить относительное отверстие и полевой угол в зрительных трубах малого увеличения.

Зеркальные и зеркально-линзовые объективы дают значительное сокращение длины ТС, что имеет существенное значение, например, для астрономических приборов.

В чисто зеркальных объективах для достижения высокого качества изображения часто используются асферические поверхности. Например, в объективе Кассегрена (рисунок 54, ж) большому зеркалу придают форму параболоида, а малому - гиперболоида. Так как изготовление точных асферических поверхностей вызывает значительные технологические трудности, то во многих случаях эквивалентный результат по качеству изображения удается получить в более сложных зеркально-линзовых объективах без применения асферических поверхностей (рисунок 54, з).

Зеркальные системы исторически сформировались, главным образом, в связи с расширением спектрального диапазона в направлении инфракрасной и ультрафиолетовой областей. Зеркальные системы в отличие от линзовых могут работать в областях спектра, где использование линзовых систем принципиально невозможно, либо затруднено из-за отсутствия материалов с пренебрежимо низким коэффициентом поглощения в данной области оптических материалов.

К преимуществам зеркальных систем относится:

- высокая светосила и разрешающая способность;

- отсутствие хроматических аберраций у зеркал;

- высокий коэффициент светопропускания;

- при сравнительно несложной конструкции зеркальных систем можно получить

- достаточно совершенную коррекцию сферической аберрации;

- чисто зеркальные системы не содержат преломляющих поверхностей и поэтому удобны для использования в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Кроме того, при одних и тех же значениях фокусных расстояний продольные габариты системы меньше, чем у линзовых систем. Это позволяет сделать

систему компактной и удобно разместить оптические элементы конструкции. Требования к стеклу, из которого может быть изготовлена подложка для зеркал (подложка может быть и металлической), значительно ниже, чем требования к стеклу, предъявляемые для изготовления линзовых систем.

Недостатки зеркальных системы:

- прежде всего сложность изготовления и контроля асферических поверхностей зеркал;

- сложность юстировки зеркальных систем;

- экранирование (зрачок имеет кольцевую форму), вызывающее перераспределение освещенности в дифракционном изображении точки;

- зеркальные системы, как правило, имеют большую кому, что уменьшает полезное поле системы.

Зеркально-линзовые и зеркальные объективы имеют, как правило, только один крупногабаритный элемент, диаметр которого равен диаметру главного зеркала. В них главная роль отводится отражающим поверхностям, не вносящим хроматических аберраций.

Зеркальные рефлекторы классифицируются по количеству зеркал, меняющих сходимость пучка лучей в телескопе.

Еще несколько десятилетий назад почти все зеркальные антенны строились по однозеркальной схеме, и эти антенны в основном удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям. Однако развитие целого ряда отраслей показало, что с решением многих задач однозеркальные системы не справляются. Дело в том, что у однозеркальных антенн мало степеней свободы: все возможности ограничены изменением формы зеркала, а также изменением в весьма

небольших пределах диаграммы направленности облучателя.

По сравнению с однозеркальными двухзеркальные антенны позволяют существенно улучшить параметры при сравнительной простоте конструктивных решений и удобстве сопряжения с приемными и передающими устройствами. По мере развития многозеркальных антенн выявились их возможности обеспечивать более рациональное управление лучом в пространстве путем перемещения отдельных элементов антенного устройства.

Двухзеркальные системы:

- Схема Ньютона

Диагональное плоское зеркало смещает изображение зеркального объектива в положение вне входящего пучка, делая изображение доступным, как показано на рис. 189, а.

- Схема Ньютона с большим дополнительным зеркалом

Большое диагональное зеркало, размещенное перед зеркальным объективом, выделяет изображение из входящего пучка за счет осевого отверстия, как показано на рис. 189, б.

Рисунок 55. Объективы с диагональными плоскими зеркалами:

а – объектив Ньютона (1 – фокальная точка, 2 – зеркало Ньютона,

3 – главное зеркало); б – дополнение Ньютона.

- Компактная конфигурация

Плоское вторичное зеркало можно использовать для смещения (через центральное отверстие) изображения, сформированного главным зеркалом, в подходящее положение сзади него (рис. 190). Это очень простая система, однако по меньшей мере 50% диаметра пучка в ней затеняется зеркалом изменения направления луча.

Рисунок 56. Компактная отражательная система 1 – затемнение, 2 – плоское зеркло,

4 – главное зеркало, 4 – фокальная точка

- Система Грегори

Объектив Грегори состоит из двух вогнутых зеркал, которые располагаются таким образом, что вторичное зеркало переносит действительное изображение от главного зеркала через его отверстие (рисунок 57): главного параболического зеркала и эллиптического зеркала.

Рисунок 57. Система Грегори. 1-вторичное зеркало,2- главный фокус, 3-главное зеркало, 4- фокальная точка.

Одновременно с Ньютоном Грегори предложил схему, в которой, в отличие от схемы Кассагрена, второе зеркало было вогнутым и эллипсоидным. Принципиальное различие этих двух схем в том, что в схеме Грегори имеется промежуточное действительное изображение, что, в частности, позволяет устранить «паразитные» лучи, неизбежные в схеме Кассагрена. Обе эти системы были исправлены только в отношении сферической аберрации и потребовалось более 200 лет для следующего шага в направлении дальнейшего усовершенствования двухзеркальных систем. Классическая система Грегори состоит из параболического основного и эллиптического

вторичного зеркал, так что результирующее изображение свободно от сферической аберрации. Однако эта система имеет кому. Если применяется обычная асферика, в системе можно устранить одновременно кому и сферическую аберрацию. Недостатком системы Грегори является ее длина (больше, чем у системы Кассегрена).

- Объектив Шварцшильда

Этот объектив представляет собой систему, которая как бы перевернута по сравнению со схемой Кассегрена, что является результатом применения выпуклого главного и вогнутого вторичного зеркал, как показано на рисунке 58.

Рисунок 58. Объектив Шварцшильда.

1-вогнутое вторичное зеркало,2-выпуклое главное зеркало.

При использовании концентрических зеркал и соответствующем выборе расстояния между ними можно получить систему, свободную от сферической аберрации, комы и астигматизма, если апертурная диафрагма находится в общем центре кривизны. Важным достоинством этой системы является применение недорогих сферических поверхностей, а недостатком-то, что вогнутое вторичное зеркало намного больше входного зрачка. Для концентрического случая выполняются соотношения R{ = 1,236F, R2 = 3,236 F и d=2F.

В большинстве двухзеркальных систем можно исправить только сферическую аберрацию и кому; астигматизм остается. И по этой причине угол поля зрения не превышает 2….3 градусов.

- Система Клемшелла

Два вогнутых зеркала, обращенные друг к другу и расположенные на расстоянии, равном их общему фокусному расстоянию, образуют удобное устройство переноса (рисунок 59). Оба зеркала могут быть параболическими, но можно всю асферическую коррекцию выполнить на одном

зеркале, а другое оставить сферическим для снижения стоимости. Рисунок 59. Система Клемшелла

- Система Максутова-Бауэрса

Сферическую аберрацию сферического зеркала можно также исправить толстой менисковой линзой (рисунок 60).

Рисунок 60. Система Максутова-Бауэрса

В одном из вариантов мениск имеет форму, устраняющую хроматическую аберрацию. В другом варианте все радиусы системы являются концентрическими и диафрагма устанавливается в общем центре. При этом кома и астигматизм равны нулю, и изображение лежит на поверхности, которая имеет радиус кривизны, равный фокусному расстоянию, и концентрична остальной системе.

Рисунок 60. Концентрический менисковый корректор Бауэрса. 1- корректор передний; 2диафрагма; 3-корректор задний; 4-фокальная плоскость; 5-зеркало.

Концентрическая система Бауэрса относится к системам с отрицательным коррегирующим мениском, разработанным независимо Максутовым и Бауэрсом в 1940-х гг. Различия между этими системами невелики, однако, вследствие широкого применения именно максутовского варианта, схемы с отрицательным мениском более известны под названием системы Максутова.

На рисунке 61 показаны места расположения крупнейших телескопов мира, жёлтым цветом обозначены названия обсерваторий, которым принадлежит телескоп, белым цветом – названия уже существующих на данный момент телескопов, сиреневым – утверждённые проекты сверхмощных телескопов (строительство некоторых из них уже началось). В скобках указан диаметр главного зеркала телескопа и количество телескопов, если их несколько.

Рисунок 61. Места расположения самых мощных телескопов.

Самый большой оптический прибор для наблюдения за звездами — Большой Бинокулярный Телескоп (LBT – Large Binocular Telescope) университета в Аризоне, США. Он состоит из двух зеркал 8 м 40 см каждое, что соответствует монокулярному телескопу с одним зеркалом диаметром 14 м 40 см. Эти характеристики позволяют ему улавливать свет звезд, находящихся на расстоянии 9 млрд световых лет. При этом, зеркала LBT не самые большие в мире: 8 м 40 см — это пятый результат на планете.

Самое большое зеркало имеет телескоп на горе Мучачос (Канарские острова). Его диаметр — 10 м 40 см, однако, он уступает LBT по охвату площади наблюдений — из-за своей монокулярности, и по четкости изображения — из-за технических характеристик принимающих видеокамер.

Рисунок 62. Внешний вид Большого Бинокулярного Телескопа

(LBT – Large Binocular Telescope)