CC BY
74
ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 535.317
В. А. Зверев, Г. Э. Романова
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ТЕЛЕСКОПА С ДИАМЕТРОМ ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА 10 М
Рассматривается оптическая схема телескопа с диаметром главного зеркала 10 м, построенная на основе афокальной двухзеркальной системы. Приведены параметры и характеристики системы, построенной только из вогнутых поверхностей.
Более 30 лет назад был создан и введен в эксплуатацию телескоп БТА (Большой телескоп азимутальный) с диаметром главного зеркала 6,5 м. В течение многих лет он оставался крупнейшим в мире, но в настоящее время построены более крупные телескопы, такие как телескоп Кека, УЬТ, телескоп Джемини и др. Телескоп БТА оказывается лишь во втором десятке по величине [1]; см. также <http://astro.nineplanets.org/bigeyes.html>. Обсуждаются проблемы построения гигантских телескопов с диаметром главного зеркала от 16,4 до 100 м [2, 3]; см. также <http://www.eso.org/projects/>.
Сферическая поверхность главного зеркала обладает существенными преимуществами по сравнению с несферической, и использование такого зеркала может значительно уменьшить стоимость проекта большого телескопа. Поэтому для построения гигантских телескопов выбирается схема со сферическим главным зеркалом [4, 5].
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к таким телескопам, при расчете оптической схемы возникают трудности, обусловленные компенсацией сферической аберрации, вносимой светосильным сферическим главным зеркалом.
Оптическая схема высокоапертурного телескопа (диаметр главного зеркала 10—100 м) может быть построена на основе афокальной двухзеркальной системы со сферическим главным зеркалом. При исправленной сферической аберрации в такой системе вторая поверхность оказывается эквидистантной параболоиду [6, 7], что позволяет использовать для ее контроля методы, разработанные для зеркальных параболоидов
Приведем параметры афокальной двухзеркальной системы:
г1 =-3 0 -103, г2* = 7,5-103, 4 =-18,75-103.
Здесь (и далее) г — радиус кривизны при вершине поверхности, мм; ф — расстояние между зеркалами, мм; символ „*" обозначает несферическую поверхность.
50
В. А. Зверев, Г. Э. Романова
Форма второй поверхности определяется уравнением х2 + у2 = 2г2*г + 3,999779г2 -0,002653г3 + 0,335144• 10-5г4 -0,365802• 10-8г5.
При диаметре главного зеркала 10 м максимальная волновая сферическая аберрация не превышает 0,13Х (длина волны X = 0,546 мкм).
Если такую систему дополнить зеркальным объективом, можно получить оптическую схему высокоапертурного телескопа. В простейшем случае это параболическая поверхность. Для систем с вогнутым вторичным зеркалом можно подобрать радиус параболы таким образом, чтобы в трехзеркальной системе была выполнена апланатическая коррекция для некоторой зоны зрачка. Если вместо параболической отражающей поверхности использовать двух-зеркальный объектив, то можно добиться исправления не только сферической аберрации, но и комы в пределах всего зрачка.
Были проанализированы возможности коррекции астигматизма и кривизны поверхности изображения, образованного четырехзеркальным объективом на основе афокальной системы. При практически совершенной коррекции сферической аберрации и исправленной коме по всему полю можно исправить также астигматизм или кривизну поля [7]. В трех из возможных четырех типов систем получается примерно одинаковое качество изображении. Не удается исправить кривизну изображения и астигматизм при приемлемых конструктивных параметрах системы только в системе с выпуклыми вторичным и четвертым зеркалами.
Наибольший интерес представляют схемы, в которых второе зеркало является вогнутым, — такую поверхность легче контролировать.
Параметры схемы с диаметром главного зеркала 10 м, в которой афокальная двухзер-кальная система скомбинирована с объективом Грегори (см. рисунок), приведены в таблице.
Номер Радиус кривизны Воздушное
поверхности при вершине поверхности расстояние
мм й, мм
Первая -30"103 -18,75'103
Вторая* 7,5'103 -18,75103
Третья* -12,6'103 -7,87'103
Четвертая* 2,696* 103 —
Фокусное расстояние системы / = 1,53405 мм. Форма второй, третьей и четвертой поверхностей определяется следующими уравнениями:
х2 + у2 = 2г2*г + 3,999779г2 -0,002653г3 + 0,335144• 10-5г4 -0,365802• 10-8г5;
х2 + у2 = 2г3* г + 2,801002г2 + 0,004877г3 + 0,11052 • 10-4 г4 + 0,183638 • 10-7 г5,
х2 + у2 = 2г4*г - 7,601237г2 + 0,012587г3. Первая поверхность в схеме является сферической (диаметр 10-104 мм), вторая (диаметр
3 3
2,6540 мм) и третья (диаметр 2,7240 мм) представляют собой вогнутые гиперболоиды
Оптическая схема телескопа с диаметром главного зеркала 10 м
51
вращения высшего порядка, а четвертая (диаметр 640 мм) — вогнутый сплюснутый эллипсоид высшего порядка.
При линейном поле в пространстве изображения 150 мм (угловое поле в пространстве предметов 2ю = 3'30") максимальная волновая аберрация в пределах всего поля составляет примерно 1Х. Коэффициент передачи контраста на частоте 8,5 линий/мм равен 0,2, что соответствует разрешению в пространстве предметов 0,15". Экранирование в схеме не превышает 0,3 по диаметру.
Рассчитанную схему телескопа необходимо проанализировать с точки зрения технологичности, также следует предусмотреть схемы контроля несферических поверхностей. Наиболее предпочтительным является компенсационный метод, позволяющий контролировать крупногабаритные асферические поверхности как второго, так и высшего порядка.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Санкт-Петербурга (грант PD06-2.0-27 „Разработка и расчет оптической системы телескопа с диаметром главного зеркала 10—100 метров и систем контроля несферических поверхностей").
список литературы
1. Шустов Б. М. Большие оптические телескопы будущего // Земля и Вселенная. 2004. № 2.
2. Sasian J. M. Flat-field, anastigmatic, four-mirror optical system for large telescopes // Opt. Eng. 1987. Vol. 26, N. 12.
3. Owner-Petersen M. Optical design and performance analysis of a 25 m class telescope with a segmented spherical primary// SPIE. 1997. Vol. 2871. Р. 607—612.
4. Dierickx P., Beletic J., Delasbre B. et al. The Optics of the OWL 100-m adaptive telescope // Workshop on Extremely Large Telescopes, Backaskog, Sweden, June 1—2, 1999.
5. PuryayevD. T. Afocal two-mirror system // Opt. Eng. 1993. Vol. 32, N. 6.
6. Зверев В. А., Бахолдин А. В., Гаврилюк А. В. Оптическая система высокоапертурного телескопа // Оптич. журн. 2001. Т. 68, № 6. С. 6—14.
7. Бахолдин А. В., Зверев В. А., Романова Г. Э. Оптическая система высокоапертурного телескопа // Там же. 2005. Т. 72, № 2. С. 24—28.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
прикладной и компьютерной оптики 21.05.07 г.
