CC BY
241
СПОСОБ АПОХРОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ В ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВОМ ОБЪЕКТИВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Владимир Львович Парко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер УНЦ «Планетарий», тел. (952)926-10-33, e-mail: [email protected].
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (952)938-34-93, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен способ апохроматической коррекции в зеркально-линзовом объективе с использованием одного оптического материала.
Ключевые слова: хроматизм положения, апохромат, зеркально-линзовый объектив.
THE APPROACH OF APOCHROMATIC CORRECTION
IN THE CATADIOPTRIC LENS WITH USE OF ONE OPTICAL MATERIAL
Vladimir L. Parko
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer of ESC «Planetarium», tel. (952)926-10-33, e-mail: [email protected].
Tatyana N. Khatsevich
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St.,Candidate of Technical Sciences, Professor at the nanosystems and optical devices department of SSGA, tel. (952)938-34-93, e-mail: [email protected]
The approach of apochromatic correction in the catadioptric lens with use of one optical material is presented in this article.
Key words: longitudinal chromatic aberration, apochromat, catadioptric lens.
Устранение хроматических аберраций изображения оптических систем различного назначения и рабочего спектрального диапазона является насущной научно-технической задачей [1-10]. Использование в зеркально-линзовых объективах схем двух- и трехкомпонентных апохроматических объективов, рассмотренных в работах [11-14], не обеспечивает каких-либо технологических преимуществ или лучшего качества изображения перед выпускаемыми в настоящее время серийными телескопами. Вместе с тем, оптическая схема линзового объектива с промежуточным изображением (рис. 1, а) может быть успешно синтезирована с зеркальной системой кассегреновского типа (рис. 1, б).
Линзовый объектив на рис. 1, а бесперспективен для астрономического те-лескопостроения с точки зрения серийного производства, так как обладает длинной, значительно превосходящей эквивалентное фокусное расстояние системы. Вместе с тем, устранение отрицательного по знаку хроматизма положения одиночной положительной линзы поз. 1, требует от положительной системы переноса поз. 3 равного по абсолютному значению хроматизм положения и положительного по знаку. Объектив такой схемы, исправленный от хроматических аберраций, возможен при использовании сложной и нетехнологичной для
массового производства системы переноса, состоящей из зеркал и совокупности линз, изготовленных из различных сортов оптического стекла. Конструкция системы переноса будет существенно проще, если она компенсирует своим отрицательным хроматизмом положения положительный хроматизм предыдущих оптических компонентов схемы объектива. На рис. 1, б система переноса поз. 3 компенсирует хроматизм положения одной неахроматизированной оптической детали - вторичного зеркала поз. 1, выполненного наподобие линзы Манжена, с положительным по знаку хроматизмом положения.
а
б
Рис. 1. Оптические схемы объективов телескопов с промежуточным изображением: а - линзовый; б - зеркально-линзовый
На рис. 1 обозначено:
поз. 1 - одиночная положительная линза (а), вторичное зеркало (б);
поз. 2 - промежуточная плоскость изображения;
поз. 3 - система переноса изображения;
поз. 4 - плоскость изображения объектива;
поз. 5 - главное зеркало.
Условие устранения хроматизма положения зеркально-линзового объектива с промежуточным изображением (рис. 1, б) для бесконечно тонких линз системы в параксиальном приближении и для триады длин волн спектра F', е и С, описывается следующей формулой:
2-а\'фъ
+- а.
Ф31 ф
31
32
Ф
Зп
V 31
32
V
37/
= 0,
(1)
где Ф1л - линзовая составляющая оптической силы линзы поз. 1, без учета
двойного прохождения лучей; Ф31,Ф32 ,Ф3й - оптические силы, соответственно
первой, второй, п-ой линзы системы переноса; ух, у31, у32,у3„ ~ коэффициенты
основной средней дисперсии материала, соответственно линзы поз. 1, первой, второй, п-ой линзы системы переноса; а3 - расстояние от промежуточной
плоскости изображения до системы переноса; а \ - расстояние от линзы поз. 1
до промежуточного изображения объектива, вычисляемое по формуле:
а' =__1 ~ Ф,,7 •
1ф+ф1-ф-ф1-йГ
где Ф! - оптическая сила линзы поз. 1; Фгз - оптическая сила главного зеркала; й - расстояние между главным зеркалом и линзой поз. 1.
Первое слагаемое уравнения (1) есть хроматизм положения изображения линзы поз. 1, а второе - хроматизм положения изображения системы переноса. Получение апохроматической коррекции изображения в параксиальной области у зеркально-линзового объектива такой оптической схемы возможно при использовании только одной марки стекла. Для случая использования только одной марки стекла в оптической схеме, формула (1) примет следующий вид:
2
2'а'гФ1л+ ' Ф31 +Фз2 + +<^3« =0- Р)
Как видно из формулы (3), условие устранения хроматизма положения в зеркально-линзовом объективе такой оптической схемы не содержит коэффициента основной средней дисперсии материала линз. Иными словами, апохро-матическая коррекция изображения достижима (в параксиальном приближении) при любом оптическом материале.
Рассмотрим конкретный пример такого апохроматического объектива (рис. 2) рассчитанного для стекла К8 по формуле (3) и обладающего следующими техническими характеристиками:
• расчетная триада длин волн спектра - линии F', ей Сг;
• диаметр входного зрачка - 250 мм;
• относительное отверстие объектива - 1/8;
• вынос задней фокальной плоскости - 250 мм;
• продольная длина системы - 530 мм;
• центральное экранирование, от площади входного зрачка - 8,1%.
Система переноса (рис. 3) выполнена из трех линз для уменьшения габаритов оптической системы и исправления сферической аберрации.
Проверочный расчет такого зеркально-линзового объектива в программе автоматизированного расчета оптических систем 7БМДХ подтверждает апохрома-тическую коррекцию и дифракционное качество изображения для осевого пучка лучей (рис. 3). Остаточный хроматизм положения (рис. 3, а) составляет 0,9 мкм, что составляет менее 1/2200000 от фокусного расстояния объектива, радиус поли-
хроматичного пятна рассеяния не превышает 4,1 мкм, а радиус кружка Эйри (на
рис. 3, б обозначен черным кругом) для этого объектива равен 5,33 мкм.
Рис. 2. Оптическая схема зеркально-линзового объектива с промежуточным изображением
^ X ^ \
\
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 АБ', мкм
к
а
б
о
„■ ° . ' в
/
= ■ "
"■ у , ""
Рис. 3. Качество изображения формируемого зеркально-линзовым объективом с промежуточным изображением: а - график хроматической кривой; б - пятно рассеяния
Таким образом, рассматриваемый способ устранения хроматизма положения применительно к зеркально-линзовой схеме объектива с промежуточным изображением позволяет осуществлять апохроматическую коррекцию изображения для осевого пучка лучей. Вместе с тем, принципиально неустранимый хроматизм увеличения и остаточный сферохроматизм не позволяют использовать зеркальнолинзовые объективы из одной марки стекла в серийном телескопостроении. Как показала практика расчетов зеркально-линзовых объективов такой оптической схемы, для коррекции остаточных хроматических аберраций необходимо и достаточно использование в оптической схеме двух массовых марок стекол [15].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Терешин Е.А., Хацевич Т.Н. Оптические системы тепловизоров // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5, ч. 1. - С. 41-42.
2. Хацевич Т.Н., Берник Г.К. Современные тенденции в развитии оптических прицелов для охотников // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2(13). - С. 83-85.
3. Парко В.Л. Тенденции развития серийных астрономических рефракторов // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 37-41.
4. Хацевич Т.Н., Парко В.Л. Апохроматический объектив без использования особых стекол // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 116-120.
5. Парко В.Л., Хацевич Т.Н. Алгоритм выбора апохроматических пар стекол в многокомпонентном астрономическом объективе // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2(13). - С. 69-73.
6. Хацевич Т.Н. Оптика для тепловизионных приборов // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 36-39.
7. Хацевич Т.Н., Берник Г.К. Использование модульного принципа оптического проектирования при разработке оптических прицелов // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА,
2011. Т. 5, ч. 1. - С. 8-9.
8. Хацевич Т.Н., Парфёнова Т.В. Двухдиапазонные объективы для инфракрасной области спектра // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 69-72.
9. Парко В.Л. Особенности вычисления хроматизма положения при оптическом проектировании линзовых объективов телескопических систем // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 2(18). - С. 81-86.
10. Парфёнова Т.В. Линзовый двухдиапазонный ИК объектив // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 2(18). - С. 87-93.
11. Парко В.Л. Способ устранения хроматизма положения в объективах телескопических систем // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 15-19.
12. Парко В.Л., Хацевич Т.Н. Влияние воздушного промежутка между компонентами телескопических объективов на хроматизм положения изображения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. научн. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. Т. 1. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 26-30.
13. Парко В.Л., Хацевич Т.Н. Алгоритм расчета объективов-апохроматов с разнесенными компонентами для телескопических и коллимационных систем // Оптический журнал,
2012. - Т. 79, № 7. - С. 18-23.
14. Патент РФ № 2429508, Апохроматический объектив / Парко В. Л., Хацевич Т. Н.; опубл. 20.09.2011.
15. Заявка на изобретение РФ № 2012114665, Зеркально-линзовый объектив / Парко В.Л., Хацевич Т. Н., Комбаров М. С.; заявл. 12.04.2012. Решение о выдаче патента от 07.05.2013.
© В.Л. Парко, Т.Н. Хацевич, 2013
