eng
Выпуск #5/2008
А.Морозов.
Четырехзеркальный оптический обзорный телескоп с диаметром входного зрачка 8 м
Четырехзеркальный оптический обзорный телескоп с диаметром входного зрачка 8 м
Просмотры: 2194
Сегодня в астрономии интенсивно изучается проблема космологической эволюции Вселенной. Ее решение требует глобального обзора звездного неба телескопами с метровыми входными зрачками и угловыми полями в несколько градусов. Однако предлагаемые схемы таких телескопов используют в оптическом тракте линзовые элементы, что сужает возможный рабочий спектральный диапазон. Автор предлагает вообще исключить эти элементы из тракта.
Итак, исследование Вселенной требует глобального обзора неба телескопами с большими входными зрачками и большими угловыми полями. В рамках наиболее выдающегося проекта такого рода – LSST (Large Synoptic Survey Telescope – большой телескоп глобального обзора) предполагается создать телескоп с входным зрачком 8,4 м и угловым полем ~10 квадратных градусов [1, 2]. Выбранная разработчиками этого проекта оптическая схема состоит из трех асферических зеркал (рис.1): первичного (М1, диаметром 8,4 м), вторичного (М2, диаметром 3,4 м) и третичного (М3, диаметром 5,0 м), после которого установлен трехлинзовый асферический корректор, обеспечивающий дополнительное исправление аберраций в угловом поле зрения диаметром ~3,5 градуса (линейный диаметр изображения ~64 см).
Конструкция телескопа достаточно совершенна, однако наличие в оптическом тракте линзовых элементов неизбежно сужает возможный рабочий спектральный диапазон, поэтому в проекте LSST предусмотрено использование только кремниевого фотоприемника. Между тем, быстрый технологический прогресс в разработке новых типов фотоприемников побуждает искать оптические схемы, имеющие сравнимые с LSST технические характеристики, но не содержащие линзовых элементов.
В данной статье приводится оптическая схема, обеспечивающая достижение этой цели. Общий вид схемы приведен на рис.2.
Ее структуру можно описать так. Первый каскад, состоящий из главного и вторичного зеркал, представляет собой приблизительный аналог известного предфокального апланатического решения Шварцшильда [3]. Второй двухзеркальный каскад (не имеющий прямых аналогов) является планстигматическим корректором. Дополнительные преимущества полученной схемы – малая осевая длина (~0,5 диаметра входного зрачка) и удобное положение изображения.
Ниже приведены краткие результаты расчета чисто зеркального варианта телескопа с диаметром входного зрачка 8 м, фокусным расстоянием 10,2 м, угловым диаметром поля зрения 3 градуса и среднеквадратичным угловым диаметром аберрационного пятна менее 1/3 угловой секунды в пределах всего поля зрения.
Основные расчетные данные оптической схемы
* Общее число поверхностей - 6
* Действующая диафрагма на поверхности - 2
* Диаметр входного зрачка - 8000 мм
* Фокусное расстояние - 10199,98 мм
* Расстояние от последней поверхности до изображения - 1868,826 мм
* Относительное отверстие - 1,274997
* Угловое поле зрения - ±1,5 градуса
* Расчетная длина волны - 0,55 мкм
Основные расчетно-конструктивные данные приведены в табл.1–2. Характеристики качества изображения приведены на рис.3 и 4.
На рис.3 показаны графики концентрации световой энергии в одну квадратную ячейку. Из них следует, что по всему изображению диаметром 535 мм, в ячейку со стороной 10 мкм фокусируется в среднем около 80% энергии от точечного объекта, то есть во всем изображении содержится ~2,25?109 пикселов.
На рис.4 приведены геометрические аберрационные фигуры, их среднеквадратичные радиусы находятся в интервале от 3 до 6 мкм. Весьма сложная структура этих фигур наглядно демонстрирует доминирующую роль аберраций высших порядков и, как следствие, необходимость использования соответствующих асферик.
При проведении расчетов автор использовал программный пакет компании ZEMAX (S/N 11130), за что выражает компании свою признательность.
Литература
1. LSST Camera Optics. – Proc. of SPIE, 2006, v.6273, 62730Y.
2. www.lsst.org/lsst_home.shtml
3. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. – М.-Л.: ОГИЗ, 1946.
Конструкция телескопа достаточно совершенна, однако наличие в оптическом тракте линзовых элементов неизбежно сужает возможный рабочий спектральный диапазон, поэтому в проекте LSST предусмотрено использование только кремниевого фотоприемника. Между тем, быстрый технологический прогресс в разработке новых типов фотоприемников побуждает искать оптические схемы, имеющие сравнимые с LSST технические характеристики, но не содержащие линзовых элементов.
В данной статье приводится оптическая схема, обеспечивающая достижение этой цели. Общий вид схемы приведен на рис.2.
Ее структуру можно описать так. Первый каскад, состоящий из главного и вторичного зеркал, представляет собой приблизительный аналог известного предфокального апланатического решения Шварцшильда [3]. Второй двухзеркальный каскад (не имеющий прямых аналогов) является планстигматическим корректором. Дополнительные преимущества полученной схемы – малая осевая длина (~0,5 диаметра входного зрачка) и удобное положение изображения.
Ниже приведены краткие результаты расчета чисто зеркального варианта телескопа с диаметром входного зрачка 8 м, фокусным расстоянием 10,2 м, угловым диаметром поля зрения 3 градуса и среднеквадратичным угловым диаметром аберрационного пятна менее 1/3 угловой секунды в пределах всего поля зрения.
Основные расчетные данные оптической схемы
* Общее число поверхностей - 6
* Действующая диафрагма на поверхности - 2
* Диаметр входного зрачка - 8000 мм
* Фокусное расстояние - 10199,98 мм
* Расстояние от последней поверхности до изображения - 1868,826 мм
* Относительное отверстие - 1,274997
* Угловое поле зрения - ±1,5 градуса
* Расчетная длина волны - 0,55 мкм
Основные расчетно-конструктивные данные приведены в табл.1–2. Характеристики качества изображения приведены на рис.3 и 4.
На рис.3 показаны графики концентрации световой энергии в одну квадратную ячейку. Из них следует, что по всему изображению диаметром 535 мм, в ячейку со стороной 10 мкм фокусируется в среднем около 80% энергии от точечного объекта, то есть во всем изображении содержится ~2,25?109 пикселов.
На рис.4 приведены геометрические аберрационные фигуры, их среднеквадратичные радиусы находятся в интервале от 3 до 6 мкм. Весьма сложная структура этих фигур наглядно демонстрирует доминирующую роль аберраций высших порядков и, как следствие, необходимость использования соответствующих асферик.
При проведении расчетов автор использовал программный пакет компании ZEMAX (S/N 11130), за что выражает компании свою признательность.
Литература
1. LSST Camera Optics. – Proc. of SPIE, 2006, v.6273, 62730Y.
2. www.lsst.org/lsst_home.shtml
3. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. – М.-Л.: ОГИЗ, 1946.
Отзывы читателей
