Введение к работе
Актуальность темы исследования
Во всем мире в настоящее время наблюдается массовое увлечение астрономов-любителей астрофотографированием объектов небесной сферы. Благодаря научному и технологическому прогрессу, современные массовые приемники излучения, такие как ПЗС- и КМОП-матрицы фотоаппаратов и специали- зированых камер для астрофотографирования, обеспечивают качественное изображение, лучшее, чем при использовании фотопленок или фотопластинок. Вместе с тем, система формирования изображения по своим характеристикам часто не позволяет раскрыть возможности таких приемников излучения в полной мере. Такая ситуация сложилась из-за того, что изначально объективы таких серийных телескопов были предназначены исключительно для визуальных наблюдений. Современные ПЗС- и КМОП-матрицы обладают более широкой, в сравнении с человеческим глазом, спектральной чувствительностью, а размер пикселя приемника, определяющий их разрешающую способность, может достигать 3-4 мкм.
Очевидно, что новые рассчитываемые объективы серийных телескопов должны быть согласованы с характеристиками современных приемников оптического излучения. Таким образом, линзовые и зеркально-линзовые серийные астрономические телескопы с минимизированным остаточным хроматизмом в расширенном рабочем спектральном диапазоне чрезвычайно востребованы. Мировые лидеры серийного телескопостроения, осознавая это, уже начали обновление своих модельных рядов, предложив оптические схемы с использованием новейших сортов стекол. Однако дальнейшее улучшение оптических характеристик линзовых и зеркально-линзовых объективов, равно как и снижение себестоимости их производства, не представляется возможным в рамках традиционных для телескопостроения оптических схем и существующих оптических материалов.
Перспективным направлением в серийном телескопостроении является разработка новых оптических систем линзовых и зеркально-линзовых объективов, апохроматическая коррекция в которых осуществляется не за счет использования марок стекол с особым ходом частной дисперсии, а путем схемных решений, обеспечивающих достижение высокой степени коррекции остаточного хроматизма при изготовлении линз оптической системы из дешевых массовых стекол. Разработка оптических систем таких объективов представляет собой актуальную научную задачу.
Степень разработанности проблемы
Разработкой апохроматических объективов телескопов без применения в их оптических схемах материалов с особым ходом дисперсии занимались исследователи, как в нашей стране, так и за рубежом. Наибольший вклад в разработку данной проблемы внесли: Э. Маккарти, К. Вин, Д. Д. Максутов, Г. А. Можаров и Р. Дуплов.
На момент начала исследования автору было известно об апохроматиче- ских объективах телескопических систем Р. Дуплова и о телескопе-апохромате ТАЛ-125-5 АПОЛАР производства ОАО «ПО «НПЗ», в оптических схемах которых не применяются материалы с особым ходом частных дисперсий. Однако были неочевидны возможности таких схемных решений в части применяемых материалов и характеристик объективов: отсутствовала математическая модель таких объективов, объясняющая необходимые для получения апохроматиче- ской коррекции изображения требования к маркам оптических стекол; не были проведены исследования предельных оптических характеристик и их зависимостей от конструктивных параметров указанных объективов; не исследована возможность расширения области решений на зеркально-линзовые системы.
Цель диссертационной работы
Целью работы является разработка оптических систем апохроматических объективов для серийного телескопостроения.
Задачи исследования
-
Разработать математические модели линзовых и зеркально-линзовых объективов телескопических систем с разнесенными компонентами.
-
Исследовать схемы построения объективов телескопических систем, использующие воздушный промежуток между компонентами системы в качестве коррекционного параметра для минимизации хроматических аберраций.
-
Разработать алгоритм расчета линзовых объективов с разнесенными компонентами, обеспечивающий выбор пары марок стекол, достаточной для апо- хроматической коррекции изображения.
-
Разработать оптические системы линзовых и зеркально-линзовых апо- хроматических объективов для серийного телескопостроения, обеспечивающие в видимом спектральном диапазоне минимизацию величины остаточного хроматизма изображения при приемлемом уровне балансировки аберраций для всех точек изображения.
Методы исследования
-
-
Аналитические методы, основанные на применении теории геометрической оптики.
-
Решение систем уравнений разработанных математических моделей объективов с помощью пакета символьных вычислений «Mathcad Prime 2.0».
-
Использование программного комплекса расчета оптических систем «ZEMAX» при проведении автоматизированной коррекции аберраций и анализа качества изображения.
Научная новизна работы
1. Доказано, что в оптических схемах линзовых объективов с разнесенными компонентами телескопических систем для получения апохроматической коррекции изображения достаточно:
использовать две марки массовых стекол;
выполнить первый компонент в виде одиночной силовой линзы, которая должна быть изготовлена из стекла флинтовой группы, если рабочий спектральный диапазон объектива ограничен видимой областью.
-
Впервые определен набор пар марок массовых стекол, каждая из которых обеспечивает апохроматическую коррекцию изображения линзовых двух- и трехкомпонентных объективов в видимом спектральном диапазоне.
-
Впервые показано, что апохроматическая коррекция в зеркально- линзовом объективе с промежуточным изображением достигается при использовании одного оптического материала в системе.
На защиту выносятся:
-
-
-
Принципы построения оптических схем линзовых объективов с разнесенными компонентами телескопических систем, согласно которым для получения апохроматической коррекции изображения достаточно:
использовать две марки массовых стекол;
выполнить первый компонент в виде одиночной силовой линзы.
-
Набор пар марок массовых стекол, каждая из которых обеспечивает апо- хроматическую коррекцию изображения линзовых двух- и трехкомпонентных объективов телескопических систем в видимом спектральном диапазоне.
-
Схемное решение зеркально-линзового объектива с промежуточным изображением, апохроматическая коррекция в котором достигается независимо от дисперсионных свойств материала, используемого в оптической системе.
-
Разработанные оптические системы линзовых и зеркально-линзовых апо- хроматических объективов для серийного телескопостроения, обеспечивающие в видимом спектральном диапазоне минимизацию величины остаточного хроматизма изображения при приемлемом уровне балансировки аберраций для всех точек изображения.
Практическая ценность работы
-
-
-
Разработана программа для ПК (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612810), реализующая разработанный алгоритм расчета двух- и трехкомпонентных объективов телескопических систем, позволяющая определить пару марок стекол, необходимых для апохроматиче- ской коррекции изображения.
-
Выполнены расчеты ряда объективов-апохроматов со значительными воздушными промежутками между компонентами, ориентированных на серийное производство. Проведены исследования их технических и оптических характеристик.
Практическая ценность и новизна подтверждаются тем, что на основе проведенных исследований разработаны новые схемы апохроматических объективов телескопических систем, защищенные патентами на изобретения: - RU 2429508, «Апохроматический объектив»;
- заявка на изобретение № 2012114665 от 12.04.2012 «Зеркально- линзовый объектив».
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение: на VI Международном научном конгрессе «ГЕО- Сибирь-2010», 19-23 апреля 2010 г., г. Новосибирск; на IX Международной конференции «Прикладная оптика-2010», 18-22 октября 2010 г., г. Санкт- Петербург; на III Всероссийской межвузовской научной конференции «III Всероссийские научные Зворыкинские чтения», 4 февраля 2011 г., г. Муром; на VII Международном научном конгрессе «ГЕ0-Сибирь-2011», 27-29 апреля 2011 г., г. Новосибирск; на VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО- Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., г. Новосибирск; на X Международной конференции «Прикладная оптика-2012», 15-19 октября 2012 г., г. Санкт- Петербург.
Проводимые исследования поддержаны именной стипендией Правительства Новосибирской области в 2011 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 статей, из которых 2 статьи опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Реализация результатов
-
-
-
-
Ряд линзовых объективов с различными оптическими характеристиками, состоящих из трех разнесенных компонентов, первый из которых выполнен в виде одиночной линзы, использован при разработке новых приборов ОАО «ЦКБ «Точприбор» (г. Новосибирск).
-
Зеркально-линзовый объектив прямого изображения с фокусным расстоянием 1 500 мм, величиной относительного отверстия, равной 1/6, рабочим спектральным диапазоном от 0,4 до 0,9 мкм использован при разработке новой продукции ОАО ПО «НПЗ» (г. Новосибирск).
-
Двухкомпонентный линзовый апохроматический объектив использован во входном коллиматоре устройства ввода лазерного излучения в световод, выпускаемого ООО «Ангстрем» (г. Новосибирск).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименований и 2 приложений; содержит 154 страницы основного текста, 53 рисунка и 16 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка оптических систем апохроматических объективов для серийного телескопостроения
-
-
-
-
-
-
-
-
