20. Зеркальные объективы

Зеркальные объективы выгодно отличаются от линзовых тем, что не имеют хроматических аберраций. Это позволяет применять одну и ту же оптику в различных областях спектра. Не менее важно и то, что изготовить большое зеркало легче, нежели линзу столь же больших размеров.

Различают предфокальные (с-ма Кассегрена) и зафокальные системы (с-ма Грегори) из двух зеркал: у предфокальной лучи света, отраженные от главного зеркала и идущие к вторичному зеркалу, не пересекают оптическую ось, а у зафокальной – пересекают ее. Если вторичное зеркало уменьшает сходимость пучка, то система называется удлиняющей, иначе – укорачивающей. Возможны афокальные системы (с-ма Мерсена).

Также системы можно классифицировать по положению фокуса: системы с внешним и внутренним фокусом.

Главным фактором, ограничивающим поле зрения двухзеркальных систем, является кома.

1. Вогнутое сферическое зеркало. Вогнутое зеркало — простейший зеркальный объектив. Вогнутое зеркало может использоваться в качестве объектива коллиматора или телескопа (Ньютона). Оно обладает сферической аберрацией и кривизной поля.

П ри больших относительных отверстиях в качестве объектива коллиматора может применяться внеосевое параболоидальное зеркало. У него отсутствует сферическая аберрация; кривизна поля ­– такая же, как у сферического зеркала; астигматизм отсутствует при x=f; кома 3-го порядка весьма значительна и не зависит от положения апертурной диафрагмы.

С истема Грегори (главное зеркало ­– вогнутое параболическое, вторичное – вогнутое эллиптическое) Наличие вторичного зеркала удлиняет фокусное расстояние и тем самым даёт возможность применять большие увеличения..

Система Кассегрена (предфокальная удлиняющая) имеет длину гораздо меньшую фокусного расстояния (при том же имеет почти в 2 раза меньшую длину трубы и несколько меньшее экранирование, чем у Грегори). Радиусы кривизны зеркал однозначно определяются, если известно расстояние между ними и длина системы. Если зеркала сферические, то сферическая аберрация у них всегда больше, чем у одиночного зеркала с тем же относительным отверстием. Асферические поверхности второго порядка позволяют исправить сферическую аберрацию. Система неапланатична, то есть несвободна от аберрации комы. Имеет большое число как зеркальных модификаций, включая апланатичный Ричи-Кретьен. Кома и астигматизм 3-го порядка сильно зависят от положения входного зрачка. Применяется при малых углах поля зрения, т. к. кроме центрального экранирования обладает большим виньетированием.

Система Ричи-Кретьена, представляющая собой улучшенный вариант системы Кассегрена. В этой системе главное зеркало — вогнутое гиперболическое, а вспомогательное — выпуклое гиперболическое. Система свободна от сферической аберрации и комы Астигматизм может быть исправлен введением между главным зеркалом и фокусом асферической пластинки, напоминающей пластинку Шмидта. Пластинка вносит небольшие сферическую и кому.

3 . Двухзеркальная концентрическая система. Особенность концентрических систем со сферическими поверхностями состоит в том, что при апертурной диафрагме, помещенной в общем центре кривизны всех поверхностей, аберрации всех наклонных пучков такие же, как и пучка параллельного оси. При таком положении диафрагмы отсутствуют кома и астигматизм, а если исправить сферическую аберрацию, то кома и астигматизм исправляются при любом положении диафрагмы.

Основными недостатками являются: большие габариты (длина в несколько раз превышает фокусное расстояние); значительные потери света из-за экранирования центральной части пучка; виньетирование наклонных пучков. Поле зрения ограничивается также кривизной поверхности изображения, которая остается неисправленной.

Система Мерсена (афокальная). Оба зеркала – параболоиды, и их фокусы совмещены. Система не имеет комы.

Зеркально-линзовые объективы

Зеркально-линзовый объектив состоит из одной или нескольких отражающих поверхностей и линзовых коррекционных элементов, предназначенных для компенсации аберраций зеркал.

Менисковые системы Максутова. Существует огромное множество различных вариантов этих систем, которые различаются числом линз компенсатора, положением изображения, типом зеркальной системы, положенной в основу. Однако суть везде одна и та же: радиусы кривизны линз подбираются так, чтобы компенсировать сферическую аберрацию и не вносить хроматической аберрации:

Ахроматический мениск позволяет компенсировать все аберрации одиночного вогнутого сферического зеркала, кроме кривизны поверхности изображения.

Система Шмидт-Кассегрена. В системе исправлены сферическая аберрация, кома и астигматизм; наиболее существенной является кривизна поля, а также полевые аберрации, вносимые коррекционной пластиной. При работе в широком диапазоне спектра следует учитывать также в принципе небольшие хроматические аберрации. Относительное отверстие системы ограничено только трудностями изготовления.

Если бы не было вторичного зеркала, а была только асферическая пластина, то система называлась бы системой Шмидта (фокус был бы внутри).

Диаграммы виньетирования

В иньетирование по диаметру характеризуется коэффициентом

,

где – меридиональный диаметр наклонного пучка лучей в плоскости входного зрачка, – диаметр входного зрачка.

Чтобы определить для произвольной точки, расположенной между и , необходимо спроецировать диаметр виньетирующей диафрагмы (ВД) на плоскость входного зрачка.

.

Начало виньетирования соответствует , конец – .

Процесс виньетирования можно представить графически:

Д о начала виньетирования в срезания пучков не происходит, поэтому график – прямая параллельная оси абсцисс. Начало виньетирования будет характеризоваться точкой излома. При уменьшении диаметра входного зрачка начало виньетирования наступит позже, а окончание – раньше (пунктир).

Расчет бленд

Блендами называются трубки, устанавливаемые перед входными окнами оптических приборов для защиты от засветки прямыми солнечными лучами в полевых условиях и для уменьшения вредного (рассеянного) света, попадающего в прибор.

Вредный свет представляет собой часть светового потока, которая проходит через оптический прибор, не участвуя в образовании изображения, и попадает в глаз наблюдателя. Эта часть светового потока получается в результате рассеяния света при отражении его от поверхностей оптических деталей, внутренних стенок корпуса прибора, оправ и т. п. Некоторая часть света рассеивается от пузырьков и включений в стекле деталей. Вредный свет, уменьшая контрастность изображения, может сильно ухудшить условия видимости или регистрации изображения фотоприемником.

Одним из основных параметров бленды является коэффициент ослабления , под которым понимают отношение освещенности от боковой помехи на входном окне бленды к освещенности рассеянного излучения на ее выходном окне. Значение зависит от угла засветки . Поэтому значение , при котором достигает заданного значения, называется углом допустимой засветки.

По конструкции бленды можно разделить на круговые, двойные, кольцевые и сотовые.

Выбор типа бленды зависит от многих факторов: от требуемого значения , допустимых размеров и массы бленды, характеристик помех, углового поля объектива и др.

Наиболее распространены круговые бленды. Их внутренние цилиндрические поверхности имеют черное диффузно отражающее покрытие. Расстановка диафрагм внутри бленды проводится путем геометрических построений хода лучей, которые учитывают требуемое чис­о отражений на боковых цилиндрических поверхностях. Круговые бленды обеспечивают .

Двойные бленды позволяют получить самые большие значения коэффициента ослабления ( ). Они состоят из двух частей: основной, которая непосредственно воспринимает излучение от боковой помехи, и дополнительной, защищающей выходное окно бленды от излучения, рассеянного и отраженного основной блендой. Эти части двойной бленды могут быть цилиндрическими, коническими, эллиптическими.

Внутри бленды целесообразно помещать диафрагмы ( , и т.д.), Расставленные таким образом, чтобы любой луч прямой засветки после отражения от внутренних стенок бленды не попадал во входной зрачок прибора. В менее ответственных случаях можно ограничиться окраской бленды изнутри хорошо поглощающими свет красками. Края диафрагм должны быть расположены вдоль линии АС и А’С’, так как в этом случае

.лучи, отраженные от краев диафрагм бленды, не проходят в отверстие полевой диафрагмы. Таким образом, необходимо выполнение условия