Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Praktika.docx
Скачиваний:
20
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
3.54 Mб
Скачать
  1. Принцип действия, правила и особенности эксплуатации, конструктивные особенности объектива «Сова-25»

    1. Введение

Данный объектив предназначен для построения изображений участков неба в фокальной плоскости, для исследования небесных объектов в видимом ближнем инфракрасном диапазонах спектра в пределах углового поля зрения 10°. На рисунке 3.1 представлен внешний вид телескопа «Сова-25».

Рисунок 3.1 - Внешний вид телескопа «Сова-25».

    1. Исходные требования к телескопу

Данный объектив предназначен для построения изображений объекта контроля в фокальной плоскости. При заданном диаметре входного зрачка телескопа - 250 мм - основное требование заключалось в обеспечении высокого качества изображений в пределах исключительно широкого поля зрения. Предполагается, что в качестве приемника излучения будет использоваться прибор с зарядовой связью (ПЗС) с диагональю 71 мм и пикселами размером 24˟24-мкм. Основным требованием является получение плоского поля зрения, среднеквадратическим диаметром изображения в интегральном свете не более ~20 мкм, а промежуток между последним оптическим элементом и фокальной плоскостью (задний отрезок) был достаточно велик. Сводка исходных требований к телескопу представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Требования к телескопу Сова-25.

Характеристика

Значение

Световой диаметр

250 мм

Эквивалентное фокусное расстояние

410 мм

Основной спектральный диапазон

0.24-0.85 мкм

Угловой диаметр плоского поля зрения

10 град

Линейный диаметр плоского поля зрения

~ 71 мм

Задний отрезок

не менее 45 мм

Среднеквадратический диаметр изображения точечного источника в интегральном свете, по всему полю

не более 20 мкм =10"

Диаметр кружка, в пределах которого содержится 80% энергии в изображении точечного источника (в интегральном свете, по всему полю)

не более 24 мкм = 12"

Доля невиньетированных световых лучей

в центре поля зрения

на краю поля зрения

не менее 60 %

не менее 40 %

Дисторсия

не более 0.5 %

    1. Оптическая система телескопа «Сова-25»

Телескоп Сова-25 (рисунок 3.1) рассчитан согласно новой оптической схеме. Плоское поле зрения диаметром 10° достигается в ней при использовании только сферических поверхностей и простых марок оптического стекла. Ниже описана версия оптической системы для ассортимента стекол фирмы Schott.Система компактна. Внутреннее пространство трубы телескопа может быть изолировано от внешней среды; это свойство весьма полезно как для обеспечения стабильно высокого качества изображений, так и в плане практического использования телескопа.

Общие характеристики рассчитанной схемы телескопа даны в таблице 3.1. Для того, чтобы телескоп приняли необходимо выполнить данные требования. Проводятся приемо-сдаточные испытания. Как показывает сопоставление таблиц 3.1 и 3.2, все исходные требования к системе выполнены.

Таблица 3.2 - Общие характеристики телескопа.

Характеристика

Значение

Световой диаметр

250 мм

Эквивалентное фокусное расстояние

410 мм

Основной спектральный диапазон

0.45-0.85 мкм

Угловой диаметр плоского поля зрения

10°

Линейный диаметр плоского поля зрения

72 мм

Задний отрезок

45 мм

Максимальный среднеквадратический диаметр изображения точечного источника в интегральном свете, по всему полю

16.3 мкм (8")

Максимальный диаметр кружка, в пределах которого содержится 80% энергии в изображении точечного источника (в интегральном свете, по всему полю)

21.6 мкм (10")

Доля невиньетированных световых лучей

в центре поля зрения

на краю поля зрения

65.2 %

44.1 %

Максимальная дисторсия на длине волны 0,65 мкм

0.36 %

Эффективный диаметр телескопа

в центре поля зрения

на краю поля зрения

202мм

166 мм

Таблица 3.3 - Параметры оптической системы.

Номер поверх­ности ^

Комментарий

Радиус

кривизны

(мм)

Расстояние до следующей поверхности (мм)

Материал2)

Световой

диаметр

(мм)

1

Апертурная диафрагма

0

-

250.0

2

Линза № 1

615.87

20.0

N-BK7

251.0

3

-

1756.1

208.56

-

249.9

4

Линза №2

- 397.90

15.0

N-BK7

237.0

5

-

- 799.51

137.94

-

240.9

6

Главное зеркало3)

- 539.57

- 137.94

Зеркало

253.0

7

Вторичное зеркало4)

- 799.51

135.94

Зеркало

130.0

8

Линза №3

277.93

15.0

SF2

100.0

95)

Линза №4

- 191.34

7.0

SF4

98.7

10

-

- 7035.6

34.0

-

95.0

11

Окно детектора

4.0

FS

77.1

12

-

7.0

-

75.7

13

Детектор

-

-

72.03

1) Каталог фирмы Schott. FS (FusedSilica) - плавленый кварц.

2) В главном зеркале сделано центральное отверстие диаметром 102.0 мм.

3) Вторичное зеркало нанесено на поверхность №5.

4) Линзы №3 и №4 составляют склеенный дублет.


Как уже отмечалось выше, все поверхности имеют сферическую форму. Две большие линзы входного корректора изготавливаются из стекла SchottN-BK7, пришедшего на смену стеклу SchottBK7 (отечественный аналог - К8). Выходной дублет изготавливается из стекол SF2 и SF4 той же фирмы. Температурные коэффициенты расширения двух последних стекол близки: соответственно 8.4-10-6 и 8.0-10-6. Стекла SF2 и SF4 лишь в 2.5 раза дороже базового стекла N-BK7. Таким образом, оптическая система телескопа включает в себя наиболее доступные и дешевые марки стекол, относящиеся, вместе с тем, к группе наиболее устойчивых при эксплуатации сортов. В качестве окна детектора обычно применяется плавленый кварц; при расчетах подразумевался материал FusedSilica каталогов MISC или INFRARED фирмы ZEMAX. Положение, толщина и материал окна детектора могут заметно изменяться без ухудшения качества изображений.

Центральное отверстие в главном зеркале диаметром 102.0 мм обеспечивает свободное прохождение полезного света к детектору. Размещение вторичного зеркала на задней поверхности второй линзы корректора устраняет необходимость установки растяжек, а также уменьшает массу системы и потери света.

    1. Качество изображений

В тех случаях, когда качество оптических изображений не является сугубо дифракционным, принято характеризовать его с помощью точечных диаграмм - картин пересечения воображаемыми световыми лучами фокальной поверхности для звездообразного объекта наблюдений. Точечные диаграммы телескопа Сова-25 показаны на рисунке 3.2. Как видно, в интегральном свете размер изображений звезды не превосходит примерно 20 мкм; точные значения указаны в таблице 3.2. Естественно, при использовании светофильтров качество изображений будет выше.

Рисунок 3.2 - Точечные диаграммы телескопа Cова-25 в интегральном свете 0.45 - 0.85 мкм для значений полевого угла 0; 2°.0; 3°.5 и 5°.0.Вверху каждого квадрата указан полевой угол точечного источника, внизу - координаты изображения на детекторе.

Сторона квадрата соответствует 24 мкм.

Широко используемый в астрономии способ описания качества изображений основан на вычислении доли энергии E(R) в изображении звезды, которая содержится в пределах кружка данного радиуса R. Функция E(R), рассчитанная с учетом дифракции света для всего спектрального диапазона, представлена на рисунке 3.3 при различных значениях полевого угла. Радиус R80, в пределах которого сосредоточено 80% энергии, не превосходит 10.8 мкм = 5".4, а соответствующее значение диаметра круга D80 = 2*R80составляет 21.6 мкм = 10".8. При вычислении параметра D80 сказываются слабые крылья дифракционного изображения; столь же часто используемая характеристика качества изображений - среднеквадратическое значение диаметра изображения звезды в полихроматическом свете - не превосходит 16.3 мкм = 8".2 вплоть до края поля зрения.

Рисунок 3.3 - Интегральное распределение энергии в изображении точечного источника для значений полевого угла 0, 2°, 3°.5 и 5° По оси абсцисс указан радиус круга около центроида изображения (мкм), по оси ординат - доля светового потока в пределах данного радиуса. Уровень 80-процентной доли энергии отмечен горизонтальной прямой.

Важной особенностью оптической системы Сова-25 является то ,что качество изображений пренебрежимо мало изменяется при смещении длинноволновой границы спектрального диапазона вплоть до ~1.5 мкм.

    1. Виньетирование света

При 10-градусном поле зрения можно было ожидать весьма значительного виньетирования света в телескопе, однако эту величину удалось сделать приемлемой. Рисунок 5.1 показывает изменение доли невиньетированных лучей вдоль поля зрения. В центре поля остаются невиньетированными 65.2 % лучей, а на краю поля - 44.1 %. Соответственным образом изменяется эффективный (эквивалентный) диаметр телескопа: от 202 мм в центре поля зрения до 166 мм - на его краю.

Рисунок 3.4 - Доля невиньетированных лучей в зависимости от полевого угла.

    1. Дисторсия

Рисунок 3.5 иллюстрирует дисторсию протяженного изображения на длине волны 0.65 мкм. Как видно, дисторсия невелика. Ее максимальное значение, а именно 0.36 %, достигается на краю поля зрения. Данные для других длин волн аналогичны.

Рисунок 3.5 - Дисторсия изображения на примере сетки с квадратными ячейками

При современных методах обработки изображений дисторсия не представляет опасности,поскольку характер дисторсии в пределах поля зрения не изменяется со временем, ее нетрудно учесть уже в ходе первичного анализа данных.

    1. Пропускание света

На рисунке 3.6 показан коэффициент пропускания оптики телескопа в условиях, когда на поверхности нанесены просветляющие покрытия в виде слоя MgF2 толщиной Х/4 (Х = 0.65 мкм). При изменении длины волны от 0.45 мкм до 0.85 мкм коэффициент пропускания варьирует в пределах 0.72 - 0.80. Эти значения следует считать вполне приемлемыми, поскольку при использовании современных многослойных покрытий, рассчитанных на широкий спектральный диапазон, достигается более высокое пропускание оптики.

Рисунок 3.6 - Зависимость коэффициента пропускания оптики телескопа от длины волны при нанесении слоя MgF2 толщиной Х/4 на поверхности линз.

    1. Устранение прямой засветки

При столь широком поле зрения, которое обеспечивается в телескопе Сова-25, все пространство между главным и вторичным зеркалами заполнено световыми пучками от объектов (рисунок 3.7), так что обычно применяемые отсекатели прямого света в форме усеченных конусов внесут нежелательно большое экранирование полезного света. В этих условиях устранение прямой засветки детектора может быть достигнуто путем удлинения входной бленды до 500 мм. Диаметр входного отверстия бленды B (см. рисунок 3.7) составляет 338.0 мм, а выходного отверстия, совпадающего с апертурной диафрагмой телескопа AS, равен 250.0 мм. Между двумя крайними диафрагмами B и AS следует поместить несколько промежуточных диафрагм, охватывающих конический пучок света. Внутреннюю поверхность бленды желательно сделать пористой.

Рисунок 3.7 - Ход лучей в телескопе, снабженном блендой.

    1. Заключительные замечания

Оптическая система телескопа Сова-25 представляет собой дальнейшее развитие модифицированной системы Рихтера-Слефогта. Модификация увеличивает диаметр поля зрения на порядок величины - до 5°-6°. В модифицированных системах обычно используется ньютоновский вынос изображения. При этом весьма эффективно решается проблема прямой засветки, однако реализация углового поля зрения диаметром порядка 10° сопряжена с чрезмерно большим центральным экранированием полезного света. Описанное здесь дальнейшее развитие системы предполагает кассегреновский вынос фокальной плоскости. Это позволило получить поля зрения, ранее доступное только вариантам камеры Шмидта, однако в нашей системе все поверхности - сферы. Очевидно, это обстоятельство не только существенно снижает трудности при изготовлении системы и ее стоимость, но и обеспечивает гладкость поверхностей, что уменьшает уровень рассеянного света и тем самым повышает контраст изображений.[2]

Выводы:

  1. Оптическая схема телескопа «Сова-25» обладает высоким качеством изображения в заданном спектральном диапазоне для заданных угловых полей, малыми габаритами, массой и по своим техническим характеристикам полностью соответсвует требованиям технического задания.

  2. Все оптические детали телескопа «Сова-25» имеют сферическую форму и выполнены из оптических марок стекла, изготавливаемых отечественными производителями. В случае необходимости возможно применение оптических материалов и марок стекла зарубежных фирм OHARA, SHOTT с последующим пересчетом конструктивных параметров.

  3. Телескоп «Сова-25» имеет достаточный запас по качеству изображения, что дает уверенность в реализации прогнозируемых технических характеристик в опытных образцах.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]