ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ШИРОКОУГОЛЬНОГО ТЕЛЕСКОПА VT-72E

Оптическая система широкоугольного телескопа VT-72e
Настоящее техническое решение относится к области астрономических приборов и может быть использовано для серийного создания обзорных телескопов, служащих для мониторинга околоземных объектов искусственного и естественного происхождения, обнаружения сверхновых и переменных звезд, ряда других важных астрономических задач, требующих частого обновления информации для широких наблюдательных областей.
Современные оптические телескопы позволяют получить более детальные изображения объектов, чем их предшественники, в частности, преодолен «атмосферный барьер» качества изображений. Класс широкоугольных оптических телескопов, обеспечивающих качество изображений не хуже одной угловой секунды в пределах поля зрения не менее одного углового градуса, предназначен для обнаружения на небе объектов переменной яркости и проведения обзорных работ. Из предшествующего уровня техники известен ряд оптических схем, из которых наиболее высокой эффективностью для задач обзорного характера обладают зеркально-линзовые (катадиоптрические) системы, такие как, камера Шмидта, система Максутова, схема Рихтера-Слефогта. Поскольку хроматическая аберрация быстро увеличивается с ростом оптической силы линз, желательно, чтобы линзовая составляющая была как можно ближе к афокальной системе, то есть имела как можно большее эффективное фокусное расстояние. Таким образом, силовые функции желательно возлагать на зеркальные элементы, тогда как основное назначение близкой к афокальной линзовой оптики - устранить монохроматические аберрации системы, по возможности не внося собственного хроматизма. Известна следующая этому требованию схема Рихтера-Слефогта (R. Richter, Н. Slevogt, German Patent Application 1941, No. Z 26592 IXa 42h.), представляющая собой модификацию схемы Шмидта. Эта схема включает сферическое зеркало и афокальный двухлинзовый корректор, представляющий собой тесный дублет из положительной и отрицательной тонких линз, суммарная оптическая сила которых равна нулю, используемый для компенсации некоторых аберраций. Эта система, однако, не является в достаточной мере широкоугольной из-за хроматизма увеличения при больших полевых углах, обусловленного зависимостью коэффициента увеличения системы от длины волны.
Угловое поле большего диаметра достигается в оптической системе телескопа ТТМ, описанной в работе Tarasenko I., Terebizh V., Markelov S. "Some Issues of Creation of Wide-Field Telescopes for Monitoring Satellites and Space Debris in High Earth Orbits", 8th US/Russian Space Surveiiance Workshop, Maui, Hawaii, 18-23 April 2010. Эта схема включает в себя входной двухлинзовый корректор с линзами, расположенными на расстоянии друг от друга, вторичное зеркало, размещенное на задней поверхности второй линзы входного корректора, а также корректирующие сферические линзы, расположенные рядом с фокальной плоскостью. При этом элементы, входящие в систему, имеют сферические поверхности, что снижает трудоемкость изготовления и себестоимость системы. Данная оптическая система обеспечивает среднеквадратический диаметр изображений звезд по полю зрения от 12 мкм до 17 мкм (1.8-2.5 угловых секунд), диаметр кружка, охватывающего 80% энергии в изображении звезды, составляет для ТТМ 2.6″-4.0″.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в улучшении оптической схемы ТТМ для получения более высокого качества изображений.
Данный результат достигается за счет добавления третьей, отрицательной, линзы в выходной корректор, при ее размещении вплотную ко второй. Это позволяет улучшить среднеквадратический диаметр изображений звезд по полю зрения до 4.5-6.8 мкм (1.1″-1.6″), при этом диаметр кружка, охватывающего 80% энергии в изображении звезды, составляет 2.0″-2.7″. Кроме того, описанное изменение оптической системы позволяет примерно вдвое увеличить задний отрезок системы (расстояние от последней оптической поверхности до приемника излучения, back focal length, BFL) и настолько же отодвинуть плоскость изображений от главного зеркала; эти особенности очень важны в технологическом и эксплуатационном отношениях. Оптическая система реализуется при использовании сферических оптических поверхностей с радиусами кривизны из списка ГОСТ 1807-75 и типов оптического стекла, рекомендованных ГОСТ к оптическому производству. Диаметр центрального отверстия в главном зеркале можно произвольно выбрать в диапазоне 120-160 мм, не внося в систему дополнительного виньетирования света. Предполагается, что приемником излучения может служить одна из доступных сейчас ПЗС матриц с диагональю длиной ~52 мм и размером пикселя 9 или 12 мкм. Рассчитана версия оптической схемы с апертурой 400 мм при условии изготовления оптических элементов из стекла каталога Лыткаринского завода оптического стекла (ЛЗОС), причем выбраны наиболее употребительные радиусы кривизны оптических
поверхностей из списка ГОСТ 1807-75, что позволяет существенно упростить и удешевить изготовление оптической системы, а также альтернативные версии с использованием ассортимента стекол фирм Ohara и Schott. Основные характеристики системы являются общими для всех трех версий. В качестве материала окна детектора обычно применяется плавленый кварц; при расчетах подразумевался материал Fused Silica каталогов MISC или INFRARED компании ZEMAX. Однако, поскольку фильтр и окно детектора имеют нулевую оптическую силу, их положение, толщина и материал могут заметно изменяться без ухудшения качества изображений. Проверка показала, что в оптической системе нет опасных бликов, обусловленных двукратным отражением света от оптических поверхностей.
При поле зрения, которое обеспечивается в телескопе VT-72e, практически все пространство между главным и вторичным зеркалами заполнено световыми пучками от объектов, поэтому обычно применяемые внутренние отсекатели прямого света в форме усеченных конусов неприменимы, так как внесли бы нежелательно большое экранирование полезного света. Устранение прямой засветки детектора достигается размещением набора диафрагм в бленде длиной 290 мм, считая от вершины первой линзы. Диафрагмы охватывают конический пучок полезного света, обеспечивающий поле зрения 3.5°. Внутреннюю поверхность бленды следует сделать пористой. Диаметр светового пучка около первой линзы светового корректора лишь на 15 мм больше светового диаметра 115.6 мм этой линзы.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение качества звездных изображений в 1.5 раза относительно ближайшего аналога (оптическая система ТТМ), при достижении качества, близкого к дифракционному (3.5° при апертуре 400 мм), удлинение заднего отрезка в два раза, упрощение и удешевление изготовления оптической системы, компактность телескопа, нетребовательность к сортам стекла, отсутствие асферических поверхностей и мягкие допуски.
Параметры оптической системы VT-72e сведены в таблицу 1. Характеристики диафрагм, размещаемых в бленде для устранения прямой засветки детектора, приведены в таблице 2. Результирующие общие характеристики телескопа представлены в таблице 3.
1) Все поверхности - сферы. Нумерация поверхностей соответствует ходу лучей.
2) Апертурная диафрагма.
3) Диаметр центрального отверстия в главном зеркале выбирается в интервале 120-160 мм.
4) Вторичное зеркало нанесено на поверхность №4.
5) Fused Silica - плавленый кварц.
Система VT-72e устойчива относительно замены типов стекла ЛЗОС на соответствующие марки каталога Ohara. Радиусы всех оптических поверхностей и толщины линз остаются прежними; изменения сводятся к заменам, перечисленным в табл. 4.
Система также может быть реализована с использованием марок стекла, изготавливаемых компанией Schott. Все радиусы остаются прежними, изменения касаются только двух линз выходного корректора (табл. 5).
Предложенная полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - Оптическая схема системы VT-72e.
Фиг. 2 - Точечные диаграммы телескопа VT-72e в интегральном свете.
Фиг. 3 -Интегральное распределение энергии в изображении точечного источника для значений полевого угла 0; 0.5°; 1.0°; 1.25°; 1.5°; 1.75°. Вверху каждого квадрата указан полевой угол точечного источника, внизу - координаты изображения на детекторе. Сторона квадрата соответствует 12 мкм (2.9").
Фиг. 4 - Доля невиньетированных лучей в зависимости от полевого угла.
Фиг. 5 - Ход лучей в телескопе, снабженном блендой и системой входных диафрагм. Номера диафрагм приведены по табл. 2.
На Фиг. 1 изображена предлагаемая оптическая система широкоугольного телескопа VT-72e. Система содержит установленный по ходу луча двухлинзовый корректор, состоящий из положительной (поверхности 1, 2) и отрицательной (3, 4) сферических линз, сделанных из одного и того же сорта стекла (в таблице 1 LZ_K8 ЛЗОС) и находящихся на расстоянии друг от друга, главное вогнутое сферическое зеркало (5) и вторичное сферическое зеркало (6), нанесенное на поверхность отрицательной линзы (4), трех сферических компенсирующих внеосевые аберрации линз (поверхности 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12) непосредственно перед фокусом, две первые из которых удалены друг от друга и сделаны из стекла другого сорта (в таблице 1 LZ_T16 ЛЗОС), а третья расположена вплотную ко второй и сделана из стекла того же сорта, что и линзы (1,2) и (3,4), плоскопараллельный фильтр (поверхности 13 и 14) из того же материала (LZ_K8), окно детектора из плавленого кварца (поверхности 15 и 16) и детектор (17). Лучи света проходят через двухлинзовый корректор (1,2) и (3,4), отражаясь от главного зеркала 5 и вторичного зеркала 6, нанесенного на поверхность 4 линзы корректора, и собираются линзами (7,8), (9,10) и (11,12) компенсатора внеосевых аберраций в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии за компенсатором.
На Фиг. 5 показана методика устранения прямой засветки детектора, позволяющая избежать нежелательно большого экранирования полезного света при использовании оптической схемы VT-72e. Эта цель достигается размещением набора диафрагм (18-21) в бленде длиной 290 мм, считая от вершины первой линзы. Диафрагмы охватывают конический пучок полезного света, обеспечивающий поле зрения 3.5°.
ЛИТЕРАТУРА.
R. Richter, Н. Slevogt, German Patent Application 1941, No. Z 26592 IXa 42h
Tarasenko I., Terebizh V., Markelov S. "Some Issues of Creation of Wide-Field Telescopes for Monitoring Satellites and Space Debris in High Earth Orbits", 8th US/Russian Space Surveiiance Workshop, Maui, Hawaii, 18-23 April 2010.
В.Ю. Теребиж, «Современные оптические телескопы». М.: Физматлит, 2005.
V.Terebizh, "New designs of survey telescopes", 2011, Astronomische Nachrichten 332, iss. 7, p.714.