CC BY
257
УДК 520.2.067
В.Л. Парко, Т.Н. Хацевич
СГГ А, Новосибирск
АПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСОБЫХ СТЕКОЛ
Рассмотрены примеры создания апохроматических объективов без использования особых стекол. Предложена новая схема такого объектива с улучшенными оптическими характеристиками.
V.L. Parko, T.N. Khatsevich
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
APOCHROMATIC OBJECTIVE WITHOUT USING SPECIAL GLASSES
Examples of apochromatic objectives' design without using of special glasses are considered. The new design of such objective with the improved optical performances is offered.
В высококачественных оптических системах, работающих в достаточно широком спектральном диапазоне, к которым относятся и объективы астрономических приборов, необходимым условием получения качественного изображения является не только устранение хроматизма положения, но и значительное уменьшение или полное устранение вторичного спектра. Наличие остаточного вторичного спектра достаточно часто является фактором, ограничивающим предельные технические характеристики линзовых объективов, в частности его относительное отверстие. В традиционных апохроматах вторичный спектр корригируется путем использования оптических материалов, обладающих особым ходом дисперсии, к числу которых относятся, например, такие оптические стекла как курцфлинт или кронфлинт, некоторые кристаллы и оптические жидкости. Ограничения по диаметрам заготовок, стоимости материалов, стойкости к внешним воздействиям и технологические трудности заставляют избегать их применения при расчете объективов астрономических приборов, ориентированных на серийное производство.
До середины 20-ого столетия было общепризнанным, что устранение или значительное сокращение вторичного спектра в линзовых оптических системах невозможно без использования материалов, имеющих особый ход дисперсии. В 60-х годах в работах Г.М. Попова [1] показано, что в трехлинзовой тонкой системе может быть существенно уменьшен вторичный спектр при использовании обычных марок стекол как отечественного, так и немецкого производства. В этот же период Винн и Маккарти [2, 3] доказали и рассчитали объективы, состоящие из двух компонентов, разделенных значительным по величине воздушным промежутком, в которых исправление вторичного спектра было осуществлено путем использования обычных стекол. При этом в объективе применено три марки стекла.
Дальнейшее развитие идеи использования воздушной толщины между компонентами для коррекции хроматических аберраций при ограниченном числе обычных марок стекол привело к трехкомпонентной схеме астрономического рефрактора-апохромата, предложенной в 2006 г. украинским оптиком Р. Дупловым [4], в которой использованы две марки стекла. Автором предложены различные комбинации марок стекол, позволяющие обеспечить апохроматическую коррекцию. В примере, показанном на рис. 1, каждый из компонентов схемы выполнен из двух линз, причем второй и третий склеенные, при этом относительное отверстие объектива составляет 1:7, фокусное расстояние 490 мм, угловое поле 0,5°.
Рис. 1. Оптическая схема апохромата Р. Дуплова
В силу того, что первый компонент схемы обладает большой положительной оптической силой, последующие компоненты имеют по сравнению с ним значительно меньшие световые диаметры, что способствует уменьшению массы и снижению стоимости оптики астрономического прибора. Вместе с тем наличие в первом компоненте двух менисков, диаметры которых определяются диаметром входного зрачка объектива, определило и возможные пути совершенствования этой схемы: для уменьшения массы, трудоемкости изготовления и юстировки целесообразно первый компонент попытаться выполнить однолинзовым. Такое решение апохроматического трехкомпонентного объектива, все линзы которого выполнены из двух марок обычного оптического стекла, предложено в 2007 г. Новосибирским приборостроительным заводом (НПЗ) [5], лидером в производстве отечественных серийных астрономических телескопов. Его оптическая схема, представленная на рис. 2, обеспечивает при фокусном расстоянии 980 мм относительное отверстие 1:7,7 и угловое поле 1,5°. Апохромат НПЗ в настоящее время выпускается мелкими сериями.
Рис. 2. Оптическая схема апохромата НПЗ
Вместе с тем наличие трехлинзовой склейки во втором компоненте снижает технологичность, что критично для серийного производства, а недостаточная для нужд фото- и видеорегистрации степень коррекции остаточного хроматизма в коротковолновой области спектра ограничивает величину относительного отверстия апохромата НПЗ.
Проведенный нами анализ обсуждаемой схемы показал, что конструктивное исполнение компонентов, использованные в ней марки стекол не позволяют уменьшить число линз и повысить относительное отверстие без снижения качества изображения, а расширение спектрального диапазона в синюю область затруднено из-за недостаточных коррекционных возможностей третьего компонента.
Авторы статьи задались целью рассчитать апохроматический объектив, вобравший в себя достоинства описанных выше систем и лишенный указанных недостатков. В результате была получена схема, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Оптическая схема апохромата
Выполнение первого компонента в виде одиночного мениска, а третьего компонента - из двух близкорасположенных линз, позволило повысить коррекцию аберраций широких наклонных пучков и увеличить относительное отверстие системы. Более оптимальный подбор марок стекол и выполнение второго компонента отрицательным позволило уменьшить число линз в и повысить относительное отверстие при сохранении апохроматической коррекции системы. Конструктивное исполнение компонентов и линз является, по нашему мнению, технологичным для серийного производства. В качестве примера использования предложенной схемы для объектива астрономического прибора рассчитан объектив со следующими характеристиками:
- Фокусное расстояние - 940 мм;
- Относительное отверстие -1:7;
- Рабочий спектральный диапазон - от 0,42 до 0,7 мкм,
- Основная длина волны - 0,546 мкм,
- Угловое поле в пространстве предметов -1,5°;
- Линейное поле в пространстве изображений - 24,6 мм.
Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого разработанной оптической системой, далее приводятся характеристики, наиболее часто используемые для оценки качества изображения в оптических системах аналогичного назначения (рис. 4, 5, 6).
, 7000 1111 1 1 . - --
,6720 -
.6440 - '' -
,6160 -
, Б880 - /
, 5600 - 1
,5320 - \
,5040 -
. 4760 -
, 4480 -
, 4200 1111 1 --г 1 1
-200,000
0, 000 Д5'(мкм)
200,000
Рис. 4. График продольной хроматической аберрации
а б
Рис. 5. Графики аберраций
Характер кривой продольной хроматической аберрации (рис. 4) свидетельствует о том, что в указанном спектральном диапазоне величина остаточной хроматической аберрации равна 0,025 мм, что составляет менее 1/3700 от величины фокусного расстояния объектива. Остаточный астигматизм (рис. 5 а) на краю поля зрения не превышает 0,09 мм, а дисторсия (рис. 5 б) менее 0,1%.
N S 0,00 МИ M ‘n 7 . R й ИМ
0,00 1 00 , 0И 200,W0
Пространственная частота, им
Рис. 6. Графики ЧКХ для различных точек поля
Из графиков частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) (рис. 6) следует, что при коэффициенте передачи контраста 0,1 пространственная частота в плоскости изображений для всех точек изображения в пределах поля зрения составляет не менее 120 мм-1, что соответствует 1,8 угловой секунды в пространстве предметов и является приемлемым для серийно выпускаемых телескопов.
В настоящее время рассчитанная оптическая система проходит процедуру патентования. Представляется возможным использование ее не только как самостоятельный объектив, но и в качестве корректора в зеркально-линзовых объективах астрономических приборов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов, Г.М. Современная астрономическая оптика [Текст] / Г.М. Попов // Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988. - С. 55 - 68.
2. U.S. Patent No.2,698,555 Optical system with corrected secondary spectrum [Текст] / EL. McCarthy. - 4.01.1955.
3. Wynne, C.G. Secondary spectrum correction with normal glasses [Текст] / C.G. Wynne // Opt. Commun. - 1977. - № 21. - С. 419 - 424.
4. Duplov, R. Apochromatic telescope without anomalous dispersion glasses [Текст] / R. Duplov // Applied Optics - 2006. - № 6. - С. 18 - 30.
5. Пат. 2331094 Российская федерация, MnK7G02B 9/28. Апохроматический объектив [Текст] / заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Производственное объединение «Новосибирский приборостроительный завод». - № 2006121862/28; заявл. 08.06.2006; опубл. 10.08.2008, Бюл. № 22. - С. 7.
© В.Л. Парко, Т.Н. Хацевич, 2010
