- •Содержание
- •Нормативные ссылки
- •Введение
- •Оценка современного состояния и перспектив развития оптико-электронной промышленности
- •Структура предприятия, основное производство
- •Принцип действия, правила и особенности эксплуатации, конструктивные особенности объектива «Сова-25»
- •Климатические испытания фокусировочного устройства телескопа «Сова-25»
- •Приспособление для закрепления телескопов «Сова-5», «Сова-25», «Сова-75» на установке
- •Заключение
- •Список источников
- •Кучерявый а.А Бортовые информационные системы: Курс лекций под ред. В.А.Машина и г.И.Клюева – 2-е изд., перераб. И доп. – Ульяновск:УлГту,2004. – 504 с.
- •Теребиж т.Ю. Оптическая схема телескопа vt-51d: методическое пособие/ т.Ю.Теребиж. – Москва, 2012г.
Принцип действия, правила и особенности эксплуатации, конструктивные особенности объектива «Сова-25»
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».
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 % |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
Телескоп «Сова-25» имеет достаточный запас по качеству изображения, что дает уверенность в реализации прогнозируемых технических характеристик в опытных образцах.