RU2785224C1 - Objective of a mirror-lens telescope - Google Patents

Objective of a mirror-lens telescope Download PDF

Info

Publication number
RU2785224C1
RU2785224C1 RU2022109844A RU2022109844A RU2785224C1 RU 2785224 C1 RU2785224 C1 RU 2785224C1 RU 2022109844 A RU2022109844 A RU 2022109844A RU 2022109844 A RU2022109844 A RU 2022109844A RU 2785224 C1 RU2785224 C1 RU 2785224C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
mirror
main
field
corrector
Prior art date
Application number
RU2022109844A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Александрович Страхов
Джамиль Джониевич Бабаев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2785224C1 publication Critical patent/RU2785224C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: telescopic systems.
SUBSTANCE: invention can be used as a lens for telescopic systems for astronomical and other visual observations, photo and video recording. The lens is made of optically interconnected and located along the beam of the main parabolic mirror, a secondary flat mirror located at an angle of 45 degrees to the optical axis of the main parabolic mirror, and a lens field corrector located behind the focal plane of the main parabolic mirror. The lens field corrector contains a meniscus sequentially located and separated by air gaps, with its concave surface facing the focus of the main mirror, a biconvex lens, a biconcave lens, two biconvex lenses and a negative meniscus, with its convex surface facing the equivalent focus of the telescopic system objective.
EFFECT: increase in image contrast and relative aperture, decrease in overall length and increase in the angular field of view while maintaining high image quality and without additional shielding of the entrance pupil of the lens.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в качестве объектива телескопических систем для астрономических и иных визуальных наблюдений, фото и видео регистрации.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used as a lens for telescopic systems for astronomical and other visual observations, photo and video recording.

В астрономии широко используются телескопы с главным параболическим зеркалом. Из теории аберраций оптических систем известно, что параболическое зеркало способно построить свободное от аберраций изображение бесконечно удаленной точки (звезды) в фокальной плоскости, строго на оси. Однако все другие точки изображения будут аберрированы. Основными аберрациями параболического зеркала являются кома и астигматизм, при этом именно кома сильно ограничивает поле зрения телескопов с умеренным относительным фокусом. Так, например, для классического любительского телескопа системы Ньютона с диаметром главного зеркала 8 дюймов и относительным фокусным расстоянием F/6, полное поле зрения в пространстве изображений, свободное от комы составляет всего чуть более 12 угловых минут. А если говорить о более современных, так называемых «быстрых» телескопах, имеющих главное параболическое зеркало с относительным фокусным расстоянием F/3, то свободное от комы поле составит менее 4-х угловых минут, что недостаточно для проведения полноценных наблюдений. Поэтому в объективах телескопов Ньютона с параболическим главным зеркалом для увеличения поля зрения используют субапертурные корректоры поля.Telescopes with a main parabolic mirror are widely used in astronomy. From the theory of aberrations of optical systems, it is known that a parabolic mirror is capable of constructing an aberration-free image of an infinitely distant point (star) in the focal plane, strictly on the axis. However, all other points in the image will be aberrated. The main aberrations of a parabolic mirror are coma and astigmatism, and it is coma that severely limits the field of view of telescopes with a moderate relative focus. So, for example, for a classic amateur Newtonian telescope with a main mirror diameter of 8 inches and a relative focal length of F / 6, the total field of view in image space, free from coma, is only a little more than 12 arc minutes. And if we talk about more modern, so-called "fast" telescopes with a main parabolic mirror with a relative focal length of F / 3, then the field free from coma will be less than 4 arc minutes, which is not enough for full-fledged observations. Therefore, in the objectives of Newtonian telescopes with a parabolic primary mirror, subaperture field correctors are used to increase the field of view.

Известен объектив телескопа Ньютона с главным параболическим зеркалом с корректором Винна [С.G. Wynne, Appl. Opt. 6, 1227 (1967)]. Корректор состоит из четырех линз со сферическими поверхностями, разделенных воздушными промежутками. Все линзы выполнены из одного материала. Корректор установлен по ходу лучей, отраженных главным зеркалом, перед фокусом главного зеркала, на дистанции от точки фокуса порядка 10% фокусного расстояния зеркала.Known is the lens of a Newtonian telescope with a main parabolic mirror with a Wynn corrector [C.G. Wynne, Apple. Opt. 6, 1227 (1967)]. The corrector consists of four lenses with spherical surfaces separated by air gaps. All lenses are made from the same material. The corrector is installed along the path of rays reflected by the main mirror, in front of the focus of the main mirror, at a distance from the focus point of about 10% of the focal length of the mirror.

Недостатком этого технического решения является тот факт, что корректор вносит дополнительное центральное экранирование зрачка телескопа, что приводит к снижению контраста изображения.The disadvantage of this technical solution is the fact that the corrector introduces additional central shielding of the telescope pupil, which leads to a decrease in image contrast.

Известен объектив телескопа Ньютона с менисковым корректором [US Patent 4718753, Jan. 12, 1988 Telescope with correcting lens], состоящим из одной менисковой линзы, обращенной вогнутой стороной к главному зеркалу, имеющей одинаковые по величине радиусы сферических поверхностей или, как вариант исполнения, корректор может состоять из двух линз (плосковогнутой и плоско-выпуклой) с одинаковыми радиусами сферических поверхностей и изготовленных из одного материала, разделенных воздушным промежутком. Корректор устанавливается вблизи фокуса главного зеркала, между вторичным зеркалом и плоскостью изображения.Known lens of the Newtonian telescope with a meniscus corrector [US Patent 4718753, Jan. 12, 1988 Telescope with correcting lens], consisting of one meniscus lens with its concave side facing the main mirror, having the same radii of spherical surfaces or, as an embodiment, the corrector may consist of two lenses (plano-concave and plano-convex) with the same radii of spherical surfaces and made of the same material, separated by an air gap. The corrector is installed near the focus of the primary mirror, between the secondary mirror and the image plane.

Недостатками этого технического решения являются низкое качество изображения и малое поле зрения, свободное от аберраций. Кроме того, для обеспечения приемлемого качества изображения необходимо устанавливать мениск как можно ближе к главному зеркалу, что приведет к экранированию входного зрачка телескопа корректором, который частично перекроет лучи, идущие из пространства предметов к главному зеркалу.The disadvantages of this technical solution are poor image quality and a small field of view, free from aberrations. In addition, to ensure acceptable image quality, it is necessary to install the meniscus as close as possible to the main mirror, which will lead to screening of the entrance pupil of the telescope with a corrector, which will partially block the rays coming from the object space to the main mirror.

Все известные типы объективов телескопов с субапертурными линзовыми корректорами имеют общее свойство: корректоры в них установлены перед фокусом первичного зеркала и, как правило, вносят дополнительное центральное экранирование входного зрачка телескопа.All known types of telescope objectives with sub-aperture lens correctors have a common property: the correctors in them are installed in front of the focus of the primary mirror and, as a rule, introduce additional central shielding of the telescope's entrance pupil.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является объектив с корректором, который установлен за фокальной плоскостью его главного параболического зеркала является зеркальный корректор (вторичное зеркало), и такой объектив известен как система Грегори [Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. Л., Наука, 1979, стр. 299]. Объектив Грегори состоит из оптически связанных расположенных по ходу луча главного параболического зеркала и вторичного вогнутого эллиптического зеркала, установленного за фокусом главного зеркала. Объектив обеспечивает прямое изображение.The closest in technical essence to the proposed invention is a lens with a corrector, which is installed behind the focal plane of its main parabolic mirror is a mirror corrector (secondary mirror), and such a lens is known as the Gregory system [Maksutov D.D. Astronomical optics. L., Nauka, 1979, p. 299]. The Gregory lens consists of optically coupled primary parabolic mirror located along the beam and a secondary concave elliptical mirror mounted behind the focus of the primary mirror. The lens provides a straight image.

Недостатками этого технического решения являются:The disadvantages of this technical solution are:

- малое относительное отверстие (1:15-1:20) из-за наличия остаточных аберраций;- small relative aperture (1:15-1:20) due to residual aberrations;

- принципиальное наличие центрального экранирования входного зрачка объектива телескопа корректором (зеркалом);- the fundamental presence of a central screening of the entrance pupil of the telescope lens by a corrector (mirror);

- значительное удлинение фокусного расстояния системы и габаритов трубы в осевом направлении из-за наличия увеличения на вторичном зеркале, что также ведет к росту астигматизма и кривизны поля;- significant elongation of the focal length of the system and the dimensions of the tube in the axial direction due to the presence of magnification on the secondary mirror, which also leads to an increase in astigmatism and field curvature;

- асферическая поверхность вторичного зеркала (эллипсоид).- aspherical surface of the secondary mirror (ellipsoid).

Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции зеркального объектива с линзовым корректором с высокими техническими характеристиками.The technical objective of the present invention is to create a design of a mirror lens with a lens corrector with high technical characteristics.

Технический результат заключается в увеличении контраста изображения, увеличении относительного отверстия, уменьшении габаритной длины объектива и увеличении углового поля зрения оптической системы при сохранении высокого качества изображения и отсутствии дополнительного экранирования входного зрачка объектива элементами корректора.The technical result consists in increasing the image contrast, increasing the relative aperture, reducing the overall length of the lens and increasing the angular field of view of the optical system while maintaining high image quality and the absence of additional shielding of the entrance pupil of the lens by corrector elements.

Это достигается тем, что объектив зеркально-линзового телескопа выполненный из оптически связанных между собой и расположенных по ходу луча главного параболического зеркала, вторичного плоского зеркала, расположенного под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала и линзового корректора поля, расположенного за фокальной плоскостью главного параболического зеркала, согласно изобретению, линзовый корректор поля содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу главного зеркала, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, две двояковыпуклые линзы и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу объектива телескопической системы.This is achieved by the fact that the lens of a mirror-lens telescope is made of optically interconnected and located along the beam of the main parabolic mirror, a secondary flat mirror located at an angle of 45 degrees to the optical axis of the main parabolic mirror and a lens field corrector located behind the focal plane of the main parabolic mirror, according to the invention, the lens field corrector contains a meniscus sequentially located and separated by air gaps, the concave surface facing the focus of the main mirror, a biconvex lens, a biconcave lens, two biconvex lenses and a negative meniscus, the convex surface facing the equivalent focus of the objective of the telescopic system.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема объектива зеркально-линзового телескопа с корректором поля главного зеркала, на фиг. 2 - оптическая схема линзового корректора поля главного зеркала, на фиг. 3 - график частотно-контрастной характеристики, на фиг. 4 - график изменения полихроматического числа Штреля по полю зрения, на фиг. 5 - график изменения контраста изображения по полю.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows the optical scheme of the lens of a reflex-lens telescope with a primary mirror field corrector; Fig. 2 - optical diagram of the lens field corrector of the main mirror, in Fig. 3 is a graph of the frequency-contrast response, in FIG. 4 is a graph of the change in the polychromatic Strehl number over the field of view, in FIG. 5 - a graph of changes in the contrast of the image across the field.

Оптическая схема объектива зеркально-линзового телескопа с корректором поля главного зеркала (фиг. 1) содержит оптически связанные между собой расположенные по ходу луча главное параболическое зеркало 1, вторичное плоское зеркало 2, расположенное под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала 1 и линзовый корректор 3 поля главного параболического зеркала 1, расположенный за фокальной плоскостью Fгз главного параболического зеркала 1.The optical scheme of the lens of a reflex-lens telescope with a field corrector of the main mirror (Fig. 1) contains the main parabolic mirror 1, the secondary flat mirror 2, located at an angle of 45 degrees to the optical axis of the main parabolic mirror 1, and the lens field corrector 3 of the main parabolic mirror 1, located behind the focal plane Fgz of the main parabolic mirror 1.

Оптическая схема линзового корректора 3 поля главного зеркала 1 (фиг. 2) содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск 4, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу Fгз главного параболического зеркала 1, двояковыпуклую линзу 5, двояковогнутую линзу 6, две двояковыпуклые линзы 7 и 8 и отрицательный мениск 9, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу Fэкв объектива телескопической системы.The optical scheme of the lens corrector 3 of the field of the main mirror 1 (Fig. 2) contains a meniscus 4 sequentially located and separated by air gaps, facing the concave surface to the focus F rz of the main parabolic mirror 1, a biconvex lens 5, a biconcave lens 6, two biconvex lenses 7 and 8 and negative meniscus 9, facing the convex surface to the equivalent focus F eq of the lens of the telescopic system.

Объектив зеркально-линзового телескопа работает следующим образом.The lens of a mirror-lens telescope works as follows.

Лучи, идущие от удаленного предмета, собираются главным параболическим зеркалом 1, отражаются от него и попадают на вторичное плоское зеркало 2, отражаются им под углом 90 градусов к оптической оси главного параболического зеркала 1 и собираются за пределами трубы объектива телескопа, в фокальной плоскости Fгз главного параболического зеркала 1. Далее лучи попадают на первую линзу линзового корректора 3 и последовательно преломляясь на поверхностях шести линз корректора 3, фокусируются в эквивалентном фокусе Fэкв телескопической системы. По пути следования лучей происходит коррекция аберраций. Угловое увеличение корректора 3 объектива близко к единице, поэтому эквивалентное фокусное расстояние системы остается равным фокусному расстоянию главного параболического зеркала 1, что не приводит к уменьшению относительного отверстия всей оптической системы. Все преломляющие поверхности линз -сферические. Изображение, построенное объективом - прямое.The rays coming from a distant object are collected by the main parabolic mirror 1, reflected from it and hit the secondary flat mirror 2, reflected by it at an angle of 90 degrees to the optical axis of the main parabolic mirror 1 and collected outside the telescope lens tube, in the focal plane F z the main parabolic mirror 1. Next, the rays fall on the first lens of the lens corrector 3 and, being successively refracted on the surfaces of six lenses of the corrector 3, are focused in the equivalent focus F eq of the telescopic system. Aberrations are corrected along the path of the rays. The angular magnification of the corrector 3 of the lens is close to unity, so the equivalent focal length of the system remains equal to the focal length of the main parabolic mirror 1, which does not lead to a decrease in the relative aperture of the entire optical system. All refractive surfaces of lenses are spherical. The image built by the lens is straight.

В качестве примера рассчитан объектив телескопа Ньютона с главным параболическим зеркалом диаметром 203 мм, относительным отверстием 1:6 и корректором со следующими техническими характеристиками:As an example, the objective of a Newtonian telescope with a main parabolic mirror with a diameter of 203 mm, a relative aperture of 1:6 and a corrector with the following technical characteristics is calculated:

- Рабочий спектральный диапазон, нм- Working spectral range, nm 470-670470-670 - Увеличение корректора, крат- Increase corrector, fold 1one - Поле зрения в пространстве предметов, 2ω, град- Field of view in the space of objects, 2ω, deg 0,50.5

Высокое качество изображения, создаваемого предложенным объективом с корректором, подтверждается графическими материалами, представленными на Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5.The high quality of the image created by the proposed lens with a corrector is confirmed by the graphic materials shown in Fig. 3, Fig. 4 and FIG. 5.

На Фиг. 3 приведен график частотно-контрастной характеристики объектива телескопа с корректором. По оси абсцисс отложена пространственная частота в миллиметрах, отнесенная к плоскости изображения объектива, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста в относительных единицах.On FIG. Figure 3 shows a graph of the frequency-contrast characteristic of a telescope lens with a corrector. The abscissa shows the spatial frequency in millimeters, referred to the lens image plane, and the ordinate shows the contrast transfer coefficient in relative units.

На Фиг. 4 представлен график изменения полихроматического числа Штреля по полю. По оси абсцисс отложена координата полевой точки в градусах, а по оси ординат - модуль передаточной функции. На графике также показан дифракционный предел согласно критерию Рэлея.On FIG. 4 shows a graph of the change in the polychromatic Strehl number over the field. The abscissa shows the coordinate of the field point in degrees, and the ordinate shows the modulus of the transfer function. The graph also shows the diffraction limit according to the Rayleigh criterion.

На Фиг. 5 показаны графики изменения контраста по полю в сагиттальной и меридиональной плоскостях для пространственной частоты 60 линий/мм.On FIG. Figure 5 shows graphs of changes in contrast across the field in the sagittal and meridional planes for a spatial frequency of 60 lines/mm.

Таким образом, объектив телескопа с корректором поля параболического главного зеркала обеспечивает увеличение рабочего поля зрения телескопа за счет исправления основных аберраций главного зеркала - комы и астигматизма при высоком относительном отверстии (1:6 и выше) и уменьшении габаритов трубы телескопа, а корректор объектива не вносит дополнительного экранирования, что благоприятно сказывается на контрасте изображения.Thus, a telescope lens with a parabolic main mirror field corrector provides an increase in the working field of view of the telescope by correcting the main aberrations of the main mirror - coma and astigmatism at a high relative aperture (1:6 and higher) and reducing the dimensions of the telescope tube, while the lens corrector does not introduce additional shielding, which favorably affects the contrast of the image.

Использование изобретения позволяет увеличить свободное от аберраций угловое поле зрения объектива телескопа, увеличить относительное отверстие, увеличить контраст изображения, уменьшить габаритную длину объектива ввиду отсутствия увеличения корректора и полностью исключить центральное экранирование входного зрачка объектива телескопа оптическими элементами корректора.The use of the invention makes it possible to increase the aberration-free angular field of view of the telescope lens, increase the relative aperture, increase the image contrast, reduce the overall length of the lens due to the absence of a corrector increase, and completely eliminate the central screening of the entrance pupil of the telescope lens by the optical elements of the corrector.

Claims (1)

Объектив зеркально-линзового телескопа, выполненный из оптически связанных между собой и расположенных по ходу луча главного параболического зеркала, вторичного плоского зеркала, расположенного под углом 45 градусов к оптической оси главного параболического зеркала, и линзового корректора поля, расположенного за фокальной плоскостью главного параболического зеркала, отличающийся тем, что линзовый корректор поля содержит последовательно расположенные и разделенные воздушными промежутками мениск, обращенный вогнутой поверхностью к фокусу главного зеркала, двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, две двояковыпуклые линзы и отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к эквивалентному фокусу объектива телескопической системы.The lens of a mirror-lens telescope, made of optically interconnected and located along the beam of the main parabolic mirror, a secondary flat mirror located at an angle of 45 degrees to the optical axis of the main parabolic mirror, and a lens field corrector located behind the focal plane of the main parabolic mirror, characterized in that the lens field corrector contains a meniscus sequentially arranged and separated by air gaps, with its concave surface facing the focus of the main mirror, a biconvex lens, a biconcave lens, two biconvex lenses and a negative meniscus, with its convex surface facing the equivalent focus of the objective of the telescopic system.
RU2022109844A 2022-04-13 Objective of a mirror-lens telescope RU2785224C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2785224C1 true RU2785224C1 (en) 2022-12-05

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4718753A (en) * 1981-10-29 1988-01-12 Gebelein Rolin J Telescope with correcting lens
DE19536636A1 (en) * 1995-09-22 1997-04-03 Frank Gallert Mirror lens comprising mirror system
RU2672777C2 (en) * 2017-02-02 2018-11-19 Публичное акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" Reflector lens

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4718753A (en) * 1981-10-29 1988-01-12 Gebelein Rolin J Telescope with correcting lens
DE19536636A1 (en) * 1995-09-22 1997-04-03 Frank Gallert Mirror lens comprising mirror system
RU2672777C2 (en) * 2017-02-02 2018-11-19 Публичное акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" Reflector lens

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Максутов Д.Д., Астрономическая оптика, Л., Наука, 1979, с. 299. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6615974B2 (en) Zoom lens system and imaging apparatus
US4523816A (en) Catadioptric lens
EP0634023B1 (en) Compact objective lens with two lens groups
US2336379A (en) Optical system
US20110115946A1 (en) Zoom lens and image pickup apparatus including the same
CN106019542B (en) Broadband multipurpose continuous zooming optical system
CN107589534B (en) A kind of lens system and camera lens
CN110109237A (en) A kind of underwater big visual field continuous zooming optical system
US20120176671A1 (en) Wide spectral coverage ross corrected cassegrain-like telescope
CN107643592A (en) A kind of varifocal catadioptric optical system of long-focus
JP5264395B2 (en) Astronomical telescope
US20160341938A1 (en) Imaging lens and imaging apparatus
JP6879723B2 (en) Catadioptric optics, imaging devices and artificial satellites
RU2785224C1 (en) Objective of a mirror-lens telescope
RU2446420C1 (en) Catadioptric system
JP2737272B2 (en) Variable power optical system for infrared
JPH10142497A (en) Infrared optical system
JPH02267511A (en) Zoom optical system
RU2650055C1 (en) Catadioptric telescope
JP2021517279A (en) Meniscus Cassegrain lens
RU2472190C1 (en) Catadioptric telescope
US3064532A (en) High speed optical system for telescopes
EP3396421A1 (en) Aspheric cemented lens
CN114994869B (en) Optical system, projection lens and projection equipment
RU2400785C1 (en) Telescope with two magnifying power values and remote exit pupil for far infrared spectrum