УСТРОЙСТВО КАТАДИОПТРИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА
CATADIOPTRIC TELESCOPE

Устройство относится к оптическому приборостроению, а именно к астрономическим наблюдательным приборам, и может быть использовано для наблюдения и фотографирования удаленных земных и астрономических объектов.
Известен выпускаемый серийно катадиоптрический телескоп, построенный по схеме Шмидта-Кассегрена (Каталог «MEADE», 8”-10” LX200, LX50 Schmidt-Cassegrain Telescope, стр.16, или Журнал «SKY & TELESCOPE», 1996, VOL.92, NO.5, p.126-131). Оптическая схема указанной модели телескопа состоит из пластины Шмидта, главного вогнутого зеркала сферической формы и вторичного выпуклого зеркала. Аберрации системы двух зеркал корректируются при помощи пластины Шмидта, расположенной во входном зрачке прибора и имеющей две асферических поверхности сложного профиля. На выпуклое вторичное зеркало, расположенное в центральном отверстии пластины Шмидта, наносят ретушь, компенсирующую остаточные дефекты пластины Шмидта. Главное зеркало этого телескопа заблокировано за центральное отверстие на гладкой поверхности втулки-отсекателя паразитного света при помощи эластичных прокладок, расположенных с обеих сторон зеркала, и имеет возможность фокусировки вдоль оси при помощи микровинта. Телескоп снабжен четырехлинзовым двухкомпонентным компенсатором полевых аберраций, установленным вблизи плоскости изображения и рассчитанным на эквивалентное относительное отверстие 1:6,3.
Недостатками данной модели телескопа являются: низкая светосила (относительное отверстие без компенсатора полевых аберраций не свыше 1:10), наличие, по крайней мере, одной очень сложной асферической детали (пластинки Шмидта), возможность деформации поверхности главного зеркала при его зажатии на центральной втулке между эластичными прокладками, низкое качество изображения по краям поля зрения и узкая рабочая область спектра, практически только видимая (486-656 нм), при работе телескопа с компенсатором полевых аберраций.
Известна схема катадиоптрического телескопа, предложенная Ю.А.Клевцовым (авторское свидетельство СССР №605189, приоритет 22.12.1975 г.). Схема содержит главное вогнутое сферическое зеркало и корректирующий элемент из двух одиночных линз, одна из которых отрицательная и имеет зеркально отражающую поверхность, установленный по ходу луча позади главного зеркала. Вторая линза корректирующего элемента выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к объекту, из материала отрицательной линзы с зеркальной поверхностью.
Недостатками схемы являются: узкий диапазон спектра: 486-656 нм и недостаточное относительное отверстие (1:10), в связи с чем схему трудно использовать для фотографических работ с современной цифровой аппаратурой, требующей спектрального диапазона 400-700 нм и относительного отверстия не менее 1:8-1:8,5.
Известна также схема катадиоптрического телескопа, предложенная Ю.А.Клевцовым (патент РФ на изобретение №2125285, приоритет 19.03.1996 г.), отличающаяся от предыдущей схемы тем, что линзы корректирующего элемента выполнены из разных марок стекла, имеющих в видимой области спектра квазиблизкие коэффициенты дисперсии, причем первая линза выполнена из стекла с большим показателем преломления. Эта схема позволяет увеличить светосилу прибора и улучшить качество изображения в широкой области спектра при значительном выносе плоскости изображения за главное зеркало.
Недостатком этой схемы, также как и предыдущей, является сравнительно узкое поле зрения, составляющее 10'-15' для телескопов с диаметром действующего отверстия 150-350 мм.
Развитием этой схемы является схема катадиоптрического телескопа, предложенная Ю.А.Клевцовым (патент РФ на изобретение №2248024, приоритет от 13.05.2002 г.). Схема отличается тем, что перед фокальной плоскостью телескопа установлен трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, причем последний по ходу луча компонент компенсатора выполнен в виде квазиконцентрического мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.
Схема этого типа позволяет повысить угловое поле зрения телескопа до 1,3°, однако ее недостатком является наличие трудно устранимой засветки поля зрения бликами от поверхностей линз изопланатического компенсатора, особенно заметной при наблюдении ярких небесных объектов.
Недостатки изопланатического компенсатора этого типа устранены в предложенной Ю.А.Клевцовым новой катадиоптрической схеме телескопа (патент РФ на изобретение №2443005, приоритет 30.04.2010 г.). Схема содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало, корректирующий элемент, включающий две отрицательные одиночные линзы из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых - квазиафокальный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, а вторая имеет зеркальную поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления, и трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, установленный перед фокальной плоскостью телескопа. Первая по ходу луча линза компенсатора - квазиафокальный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, вторая и третья линзы компенсатора склеены. Первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту. Схема обеспечивает уменьшение паразитного света, улучшение качества изображения по краям поля зрения, увеличение рабочего отрезка компенсатора.
Недостатком катадиоптрической схемы телескопа, затрудняющим ее использование в универсальном фотовизуальном телескопе, остается узкое поле зрения в кассегреновском фокусе, составляющее 10'-15' для систем с действующим отверстием 150-350 мм.
Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому является устройство катадиоптрического телескопа авторов Кучера И.В., Клевцова Ю.А. и Парко Л.В. (свидетельство на полезную модель №23508, приоритет 18.07.2001 г.). Устройство катадиоптрического телескопа с коррекцией аберраций в сходящемся пучке лучей содержит главное сферическое зеркало и корректирующий элемент из двух линз, выполняющий роль вторичного зеркала, в котором первая по ходу луча линза корректирующего элемента выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, ориентированного вогнутостью в сторону объекта наблюдения, и изготовлена из стекла той же марки, что и вторая по ходу луча отрицательная линза с зеркальной поверхностью. Главное зеркало с центральным отверстием жестко закреплено на втулке-отсекателе паразитного света с явно выраженными упругими лепестками при помощи термостойкого клея. Конструкция корректирующего элемента имеет радиальные юстировочные зазоры в парах: отражательная линза-оправа и прокладное кольцо-оправа, которые по окончании юстировки заполняют эластичным герметизирующим составом. Юстировочные устройства главного зеркала и корректирующего элемента выполнены в виде двух сферических шарниров, один из которых неподвижен, а другой подвижен вдоль оптической оси прибора. Три растяжки крепежной детали корректора, расположенные по окружности через 120°, имеют криволинейную форму с радиусом кривизны, равным длине их хорды.
Конструкцией прототипа не предусмотрено использование компенсатора полевых аберраций, повышающего светосилу прибора и расширяющего поле зрения изображений высокого качества, также как и афокального корректора полевых аберраций, которые необходимы для работы телескопа с современной цифровой фотографической аппаратурой в диапазоне спектра 400-700 нм. Относительное отверстие прототипа не свыше 1:10, а спектральная область работы не выходит за пределы 486-656 нм, кроме того, конструкции корректирующего элемента и узла крепления главного зеркала не позволяют развивать действующее отверстие телескопа свыше 200 мм.
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального высокотехнологичного фотовизуального телескопа путем создания катадиоптрического телескопа с диаметром действующего отверстия не менее 250 мм (при относительном отверстии 1:8-1:8,5), обладающего высоким качеством оптического изображения в области работы современной цифровой фотографической аппаратуры 400-700 им, большим угловым полем (не менее 0,75°-1,3°), повышенной стойкостью к разъюстировке, перепадам температур, при минимальных размерах и массе.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве катадиоптрического телескопа с коррекцией аберраций в сходящемся пучке лучей, который содержит главное сферическое зеркало, жестко закрепленное на втулке с явно выраженными упругими лепестками при помощи термостойкого клея, и корректирующий элемент из двух линз, выполняющий роль вторичного зеркала, в котором первая по ходу луча линза корректирующего элемента выполнена в виде отрицательного квазиафокального мениска, ориентированного вогнутостью в сторону объекта наблюдения, а конструкция корректирующего элемента имеет радиальные юстировочные зазоры в парах: отражательная линза-оправа и прокладное кольцо-оправа, которые по окончании юстировки заполняют эластичным герметизирующим составом, юстировочные устройства главного сферического зеркала и корректирующего элемента выполнены в виде двух сферических шарниров, один из которых неподвижен, а другой подвижен вдоль оптической оси прибора, три растяжки крепежной детали корректора, расположенные по окружности через 120, имеют криволинейную форму с радиусом кривизны, равным длине их хорды, линзы корректирующего элемента выполнены из разных марок стекла, имеющих в видимой области спектра квазиблизкие коэффициенты дисперсии, причем первая линза выполнена из стекла с большим показателем преломления, введены сменные оптические устройства: трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций или двухлинзовый афокальный корректор внеосевых аберраций. Первая по ходу луча линза изопланатического компенсотора внеосевых аберраций выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая и третья линзы компенсотора склеены, причем первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту наблюдения. Первая по ходу луча отрицательная линза афокалыюго корректора полевых аберраций выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая положительная линза - плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения. Торец разрезной втулки, на которой приклеено главное зеркало, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка сферического шарнира, а на ней, с обеих сторон буртика, установлены прокладные кольца, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными напротив друг друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами. Задняя крышка, закрывающая линзы корректирующего элемента, выполнена разрезной, а юстировочные винты расположены в ее тыльной стороне, не имеющей контакта с оправой корректора.
Заявителем не выявлены технические решения, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Устройство катадиоптрического телескопа с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружено.
Предлагаемая схема катадиоптрического телескопа, за счет использования сменных оптических элементов: изопланатического компенсатора внеосевых аберраций и афокального корректора внеосевых аберраций, обеспечивает универсальность применения телескопа как в качестве визуального, так и в качестве фотографического инструмента при работе с ПЗС-приемниками света. Повышение технических характеристик достигается тем, что первая по ходу луча линза компенсатора внеосевых аберраций выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая и третья линзы компенсатора склеены, причем первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту наблюдения. Установка квазиафокального отрицательного мениска впереди линз силового блока, а также большая кривизна этого мениска способствуют удалению плоскости фокусировки паразитных бликов от плоскости изображения. Тем самым уменьшается паразитный световой фон в телескопе. Склейка второй и третьей линзы компенсатора внеосевых аберраций и ориентация поверхностей склеенного блока вогнутостью к объекту наблюдения также способствует уменьшению паразитного света. Относительно большая кривизна и осевая толщина первой менисковой линзы компенсатора внеосевых аберраций способствует увеличению его рабочего расстояния и компенсации хроматической комы телескопа, в результате чего происходит уменьшение эффективного пятна рассеяния по краям поля зрения.
Двухлинзовый афокальный корректор, установленный в предлагаемую систему катадиоптрического телескопа вблизи плоскости изображения, дает дополнительные коррекционные параметры для исправления внеосевых аберраций. Первая по ходу луча отрицательная линза афокального корректора выполняется из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Осевая толщина мениска служит коррекционным параметром для воздействия на кривизну поля, хроматизм увеличения и хроматическую кому. Однако такой мениск изменяет фокусное расстояние системы и нарушает коррекцию остаточных осевых аберраций. Для компенсации этих нарушений в афокальный корректор вводится плосковыпуклая линза, обращенная выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения. Такая форма линзы технологична и не дает бликов, способных фокусироваться вблизи плоскости изображения. Введение афокальным корректором весьма незначительной сферической аберрации в изображение объекта наблюдения позволяет исправить астигматизм всей системы, практически не нарушая при этом качества изображения осевой точки поля зрения.
Торец разрезной втулки, на которой приклеено главное зеркало, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом крепится втулка сферического шарнира, а на ней с обеих сторон буртика установлены прокладочные кольца, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными напротив друг друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами. При работе телескопа с изопланатическим компенсатором полевых аберраций диафрагма, отсекающая паразитный свет, снимается. Задняя крышка, закрывающая линзы корректирующего элемента, выполнена разрезной, а юстировочные винты расположены в ее тыльной стороне, не имеющей контакта с оправой корректора. Такая конструкция узла крепления главного зеркала и корректирующего элемента дает возможность избавиться от остаточных деформаций зеркальных поверхностей, возникающих как при соединении разрезной втулки и втулки сферического шарнира, так и при соединении элементов подвижного шарнира посредством юстировочных винтов, пропущенных через заднюю крышку. В результате чего появляется возможность серийного производства телескопа с диаметром действующего отверстия не менее 250 мм.
Пример конкретной реализации заявляемого катадиоптрического телескопа представлен на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлена оптическая схема катадиоптрического телескопа.
На фиг.2 представлена конструкция трубы катодиоптрического телескопа со сменными фотографическими устройствами.
Оптическая схема катадиоптрического телескопа (фиг.1) содержит установленные по ходу луча главное вогнутое сферическое зеркало 1, корректирующий элемент, включающий две отрицательные одиночные линзы 2 и 3 из разных марок стекла с квазиблизкими в видимой области спектра коэффициентами дисперсии, первая из которых 2 - квазиафокальный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, а вторая 3 имеет зеркальную поверхность и выполнена из материала с меньшим показателем преломления, и трехлинзовый изопланатический компенсатор внеосевых аберраций, установленный перед фокальной плоскостью телескопа. Первая по ходу луча линза компенсатора 4 - квазиафокальный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения, вторая 5 и третья 6 линзы компенсатора склеены. Первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту. Вместо изопланатического компенсатора внеосевых аберраций перед фокальной плоскостью телескопа может быть установлен афокальный корректор полевых аберраций, состоящий из двух линз 7 и 8, причем первая по ходу луча отрицательная линза 7 выполнена из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая положительная линза 8 плосковыпуклая, выполнена из стекла типа «крон» и обращена выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения.
Устройство работает следующим образом. Лучи света, отражаясь от главного зеркала 1, проходят через линзы корректирующего элемента 2 и 3 и, отражаясь от зеркальной поверхности линзы 3, идут обратно через корректор, выходя из которого собираются линзами 4, 5, 6 компенсатора внеосевых аберраций в плоскости изображения телескопа на небольшом расстоянии за компенсатором.
Предлагаемая схема катадиоптрического телескопа, за счет использования сменных оптических элементов: изопланатического компенсатора внеосевых аберраций и афокального корректора внеосевых аберраций, обеспечивает универсальность применения телескопа как в качестве визуального, так и в качестве фотографического инструмента при работе с ПЗС-приемниками света. По отношению к прототипу, схема обеспечивает более высокие технические характеристики: расширение рабочей области спектра до области работы цифровой фотографической аппаратуры (400-700 нм), повышение относительного отверстия основной схемы (поз.1, 2 и 3 на фиг.1) до значения 1:8-1:8,5, улучшение качества изображения по краям поля зрения до 0,75°-1,3° в режиме работы с фотографическими устройствами: двухлинзовым афокальным корректором внеосевых аберраций и трехлиизовым изопланатическим компенсатором внеосевых аберраций.
Повышение технических характеристик достигается тем, что первая по ходу луча линза 4 компенсатора внеосевых аберраций выполнена в виде квазиафокального отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, вторая 5 и третья 6 линзы компенсатора склеены, причем первая по ходу луча поверхность склеенного блока линз плоская, а остальные поверхности обращены вогнутостью к объекту наблюдения.
Установка квазиафокального отрицательного мениска 4 впереди линз силового блока 5, 6, а также большая кривизна этого мениска способствуют удалению плоскости фокусировки паразитных бликов от плоскости изображения. Тем самым уменьшается паразитный световой фон в телескопе. Склейка второй 5 и третьей 6 линз компенсатора внеосевых аберраций и ориентация поверхностей склеенного блока вогнутостью к объекту наблюдения также способствуют уменьшению паразитного света. Относительно большая кривизна и осевая толщина первой менисковой линзы 4 компенсатора внеосевых аберраций способствует увеличению его рабочего расстояния и компенсации хроматической комы телескопа, в результате чего происходит уменьшение эффективного пятна рассеяния по краям поля зрения.
Двухлинзовый афокальный корректор, установленный в предлагаемую систему катадиоптрического телескопа вблизи плоскости изображения, дает дополнительные коррекционные параметры для исправления внеосевых аберраций. Первая по ходу луча отрицательная линза 7 афокального корректора выполняется из стекла типа «флинт» в виде квазиафокального мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения. Осевая толщина мениска 7 служит коррекционным параметром для воздействия на кривизну поля, хроматизм увеличения и хроматическую кому. Однако такой мениск изменяет фокусное расстояние системы и нарушает коррекцию остаточных осевых аберраций. Для компенсации этих нарушений в афокальный корректор вводится положительная плосковыпуклая линза 8, обращенная выпуклой сферической поверхностью к плоскости изображения. Такая форма линзы технологична и не дает бликов, способных фокусироваться вблизи плоскости изображения. Введение афокальным корректором весьма незначительной сферической аберрации в изображение объекта наблюдения позволяет исправить астигматизм всей системы, практически не нарушая при этом качества изображения осевой точки поля зрения.
На фиг.2 представлена конструкция трубы телескопа со сменными фотографическими устройствами.
Главное зеркало 1 с центральным отверстием жестко закреплено на втулке 9 с явно выраженными упругими лепестками при помощи термостойкого клея. Конструкция корректора имеет радиальные юстировочные зазоры в парах: отражательная линза 3 - оправа 10 и прокладное кольцо 11 - оправа 10, которые по окончании юстировки заполняют эластичным герметизирующим составом. Юстировочные устройства выполнены в виде двух сферических шарниров, один из которых неподвижен (поз.9, 12), а другой подвижен (поз.13, 14) вдоль оптической оси прибора. Три растяжки крепежной детали корректора 15 расположены по окружности через 120° и имеют криволинейную форму с радиусом кривизны, равным длине их хорды. Торец разрезной втулки 9, на которой приклеено главное зеркало, противоположный лепесткам, снабжен упорным цилиндрическим буртиком, к которому резьбовым кольцом 16 крепится втулка сферического шарнира, а на ней с обеих сторон буртика установлены прокладные кольца 17 и 18, упирающиеся в буртик тремя радиально-симметричными выступами, расположенными напротив друг друга, причем прокладные кольца зафиксированы от поворота на втулке стопорными винтами. При работе телескопа с изопланатическим компенсатором полевых аберраций диафрагма 19, отсекающая паразитный свет, снимается.
Кроме того, задняя крышка 20, закрывающая линзы корректирующего элемента, выполнена разрезной, а юстировочные винты 21 расположены в ее тыльной стороне, не имеющей контакта с оправой корректора 10.
Такая конструкция узла крепления главного зеркала и корректирующего элемента дает возможность избавиться от остаточных деформаций зеркальных поверхностей компонентов 1 и 3, возникающих как при соединении разрезной втулки 9 и втулки сферического шарнира 12, так и при соединении элементов подвижного шарнира 13 и 14 посредством юстировочных винтов 21, пропущенных через заднюю крышку 20. В результате чего появляется возможность серийного производства телескопа с диаметром действующего отверстия не менее 250 мм.
Предлагаемая схема катадиоптрического телескопа за счет использования сменных оптических элементов: изопланатического компенсатора внеосевых аберраций и афокального корректора внеосевых аберраций, обеспечивает универсальность применения телескопа как в качестве визуального, так и в качестве фотографического инструмента при работе с ПЗС-приемниками света. В сравнении с прототипом, схема обеспечивает более высокие технические характеристики: расширение рабочей области спектра до области работы цифровой фотографической аппаратуры (400-700 нм), повышение относительного отверстия основной схемы (поз.1, 2, 3 на фиг.1) до значения 1:8-1:8,5, улучшение качества изображения по краям поля зрения до 0,75°-1,3° в режиме работы с фотографическими устройствами: двухлинзовым афокальным корректором внеосевых аберраций и трехлинзовым изопланатическим компенсатором внеосевых аберраций.
Техническое решение с указанной совокупностью признаков проявляет новые свойства и обеспечивает возможность серийного производства легкого мобильного телескопа с высоким качеством оптического изображения, малочувствительного к вибрациям и резким перепадам температур. Кроме того, предлагаемая модель обладает большей стойкостью к разъюстировке при минимальных размерах и массе.
Устройство предлагаемого катадиоптрического телескопа базируется на известных технологических процессах изготовления элементов и узлов и предполагает использование современных материалов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью.
Предложенное решение является новым в практике разработки астрономических приборов.