Апохроматические объективы телескопических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московское высшее общевойсковое командное училище

Апохроматические объективы телескопических систем

Дмитерко Руслан Алексеевич кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ОПД

Страхов Андрей Александрович преподаватель кафедры ОПД

Россия, Москва

Аннотация

В статье рассмотрен алгоритм поиска апохроматических триад стекол для объективов телескопических систем. Предложены оптические схемы апохроматических объективов на стеклах с нормальным ходом дисперсии.

Ключевые слова: телескопическая система, объектив, апохромат, стекло, нормальный ход дисперсии.

Annotation

Dmiterko Ruslan Alekseevich Doctor of Philosophy (Ph.D) in phisics and mathematics associate Professor of OPD Department Moscow higher arms command school Russia, Moscow

Strakhov Andrei Alexandrovich teacher of the OPD Department Moscow higher arms command school Russia, Moscow

APOCHROMATIC LENSES OF TELESCOPIC SYSTEMS

The article considers an algorithm for searching for apochromatic triads of glasses for lenses of telescopic systems. Optical schemes of apochromatic lenses on “normal” glasses are proposed.

Key words: telescopic system, lens, APO lens, optical glass, normal dispersion.

К объективам телескопических систем предъявляются достаточно жесткие требования с точки зрения коррекции аберраций. Основной аберрацией, ограничивающей качество изображения телескопической системы, является хроматизм положения. Задача проектировщика состоит в том, чтобы как минимум три длины волны из рабочего спектрального диапазона оптической системы были сведены в общем фокусе, а остальные находились от него на минимальном расстоянии, при этом объектив должен строить изображение удаленного объекта дифракционного качества. Таким образом, необходимым требованием является апохроматическая коррекция с исправлением сферической аберрации на уровне, не хуже X/4 по волновому фронту, где X - средняя длина волны рабочего спектрального диапазона объектива.

Такая задача обычно решается применением в оптической схеме объектива фтор-фосфатных стекол (кронов) с особым ходом дисперсии и числами Аббе v > 90 или кристаллов типа флюорита (CaF2) [1].

Однако это решение не всегда подходит для объективов телескопических систем специального назначения в силу ряда физических свойств этих оптических материалов (высокий коэффициент линейного расширения, низкая твердость, низкая технологичность в производстве, высокая цена, низкая устойчивость к воздействию внешних факторов).

Известны также схемы апохроматов, построенных на базе особых флинтов (ОФ), например, в [2] приведены триады КФ5-ОФ4-ТФ5, ЛК7-ОФ4- ТФ8 и др. Особые флинты обладают лучшей по сравнению с особыми кронами технологичностью и устойчивостью к внешним факторам, однако, триады на их основе имеют гораздо меньшие коррекционные возможности при довольно высокой себестоимости.

В связи с этим, возникает необходимость поиска альтернативных «триад» - оптических материалов, лишенных недостатков фтор-фосфатных кронов и кристаллов с одной стороны, и имеющих лучшие коррекционные возможности, чем триады на основе особых флинтов, с другой стороны.

Авторами была поставлена задача поиска таких триад и расчета объективов на их основе.

Для решения указанной задачи были рассмотрены каталоги трех основных производителей оптического стекла: ЛЗОС, SCHOTT и OHARA. Все стекла этих производителей были сведены в единую базу. Стекла с особым ходом дисперсии, а также прямые аналоги были исключены из базы данных. Кроме того, были исключены некоторые низко технологичные стекла и стекла, неустойчивые к воздействию внешних факторов. Таким образом, в качестве исходных материалов для формирования «триад» отобраны 165 стекол, перечисленных в Таблице 1.

Таблица 1. Стекла для формирования триад

Для отбора «триад» из данного списка авторами была разработана программа, позволяющая формировать «триады» для тонких триплетов без воздушных промежутков. Критерием отбора явилось условие минимума суммарной кривизны всех преломляющих поверхностей тонкого триплета. Программа работает по следующему алгоритму: сначала рассчитываются тонкие триплеты без воздушных промежутков путем перебора всех возможных комбинаций стекол из составленной базы данных. На этом этапе контролируется суммарная кривизна преломляющих поверхностей триплета, сферическая аберрация и хроматизм положения. На следующем этапе производится отбор наиболее перспективных триад исходя из минимальной суммарной кривизны, минимальной сферической аберрации и минимального хроматизма положения. Затем производится процедура «утолщения» линз, т.е. вводятся конечные толщины и воздушные промежутки. После этого наилучшие по выше приведенным критериям триады оптимизируются в программе 7БМЛХ.

В результате проведенных расчетов, были получены триады, из которых отобрано 50 наиболее перспективных. Выбранные триады сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Триады стекол для апохроматов

Из таблицы следует, что возможны варианты построения апохроматов как из трех разных марок стекол, так и из двух марок стекол (триады №№ 1, 6, 10, 21, 40 и др.).

Порядок расположения стекол внутри триад имеет большое значение, нарушение указанного в таблице 2 порядка расположения стекол приводит к ухудшению коррекционных возможностей триады. Однако для некоторых «двух-стекольных» триад возможны два варианта расположения стекол внутри триады, например, триады №№ 6 и 19.

Детальное исследование коррекционных возможностей и особенностей оптических схем объективов на базе полученных триад еще предстоит сделать, здесь же приведем в качестве примера, оптическую схему объектива на базе триады № 31 (ТК-2 - СТК-9 - ТК-2). [3]. На рисунке 1 дана оптическая схема объектива.

Объектив состоит из двух оптически связанных компонентов, разделенных воздушным промежутком dl. Первый компонент содержит одну положительную линзу, выполненную из стекла ТК-2, второй - две линзы: двояковогнутую, выполненную из стекла марки СТК-9 и положительный мениск, выполненный из стекла марки ТК-2, разделенные воздушным промежутком d2. Объектив имеет следующие оптические характеристики:

-фокусное расстояние 990мм;

- относительное отверстие 1:10;

- рабочий спектральный диапазон 0,434 - 0,700нм;

- угловое поле в пространстве предметов +/-0,25^о.

Рисунок 1. Оптическая схема объектива

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 3.

Таблица 3

На рисунке 2 приведен график хроматической кривой. Хорошо виден образный характер кривой, т.е. четыре длины волны из рабочего спектрального диапазона оптической системы сведены в общем фокусе, а величина хроматической аберрации - 78,8мкм, что составляет 1/12560 часть от фокусного расстояния объектива.

Рисунок.2. График хроматической кривой.

На рисунке 3 приведен график зависимости полихроматического числа Штреля от поля зрения объектива. Видно, что объектив строит изображение дифракционного качества в пределах рабочего поля зрения.

Рисунок 3. Число Штреля с учетом поля зрения

Таким образом, нам удалось найти абсолютно новые апохроматические триады стекол с нормальным ходом дисперсии. На базе этих триад могут быть разработаны объективы для телескопических систем широкого применения, в том числе, для специальных применений.

В качестве примера приведен расчет одного из возможных вариантов объектива-апохромата. апохроматический телескопический дисперсия

Использованные источники

1. Архипов С.А., Кушнарев К.Г., Скляров С.Н. Апохроматические объективы для гиперспектральной аппаратуры // Контенант. - 2013. - Т.12, №1, - С. 65-68.

2. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1988. -192с.

3. Пат. на полезную модель 185717 Российская Федерация, МПК⁷ О 02 В 9/16, О 02 В 11/08. Двухкомпонентный апохроматический объектив. / Страхов А.А., Фоминский В.Ю., Романов Р.И., Фоминский Д.В.; заявитель и патентообладатель Москва. НИЯУ МИФИ. - № 2018132324, заявл. 11.09.18; опубл. 14.12.18, Бюл. № 35. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru