Зеркально-линзовые системы

Возникновение идеи зеркально-линзовых систем относится к XVIII в. Первый телескоп Ньютона был уже такой системой, поскольку он имел два зеркала и окуляр, состоящий из линз.

Простейшей зеркально-линзовой системой можно считать отражающую линзу Манжена, использованную им в качестве проектирующей системы прожектора дальнего действия (для освещения далеких предметов) в 80-х годах прошлого столетия. То обстоятельство, что она была применена в прожекторе, а не в астрономическом объективе, случайно. Линза Манжена—менискообразная (центры поверхностей обращены в одну сторону) с отражающей поверхностью. С точки зрения оптической схемы она эквивалентна комбинации двух менисковых линз, одна из которых стоит перед зеркалом, другая — позади него, и лучи проходят   через   нее  дважды. Эта линза играет роль компенсатора сферической   аберрации.   Недостаток ее — значительная хроматическая аберрация. Если в прожекторе ею можно было пренебречь из-за сравнительно большого размера источника света, благодаря чему лучи, идущие из различных точек, перемешиваются, то в астрономическом объективе эта же аберрация недопустима, так как небесные объекты имеют чрезвычайно малые угловые размеры.

Плодотворность идеи Манжена, лежащей в основе его системы, подтверждается неоднократным ее использованием как основной части светосильного зеркально-линзового фотографического объектива, обладающего большим углом поля зрения. Для исправления хроматической аберрации и астигматизма к ней добавляют несколько   линз.

В большинстве существующих зеркально-линзовых систем (за исключением не получивших распространения медиальных труб Шупманна) функции линз и зеркал разделены таким образом: зеркала формируют изображение, а линзы корректируют аберрации зеркал. При этом линзам стараются придать минимально возможную преломляющую силу, чтобы более четко разграничивать действие тех и других частей оптической системы. В линзе Манжена такое строгое разделение функций невозможно, и поэтому ее аберрации исправлены слабо.

Идея афокальных компенсаторов зародилась в 1876 г., тогда в схеме Кассегрена предлагали применить две рядом расположенные линзы из одного и того же сорта стекла, составляющие афокальную (нулевой оптической силы) систему. Однако предложения, опубликованные в специальной литературе,    так  и  остались  неосуществленными.

В 1913 г. Росс применил афокальный компенсатор на практике. Его вариант несколько отличался от прежнего, но принципиальной разницы между ними не было. Первый компенсатор имел целью исправить сферическую аберрацию и кому сферических зеркал, расположенных по схеме Кассегрена, а компенсатор Росса — кому параболического рефлектора, не влияя на его сферическую аберрацию, поскольку она равнялась нулю. Следовательно, в обоих случаях задача сводилась к устранению сферической аберрации и комы прибора.

Компенсатор Росса при испытании показал, что он действительно исправляет кому параболического рефлектора, не влияя на качество изображения на оси систе&ы, и не вводит хроматических аберраций, поскольку обе его линзы имеют одинаковую оптическую силу, но с обратными знаками и изготовлены из одного материала. Однако, устраняя кому, он в несколько раз увеличивает астигматизм параболического зеркала, из-за чего угол поля зрения системы «параболическое зеркало — компенсатор», хотя и увеличивается немного по сравнению с его значением для одного зеркала, не превышает 15′ (по 7—8′ с каждой стороны от оси).

Теория афокального компенсатора была разработана проф. В. Н. Чуриловским, который использовал ее для целого ряда комбинаций зеркал, например комбинации с одним простым сферическим зеркалом, с двумя несфериче-кими зеркалами по схеме Кассегрена. В одном из последних вариантов ему удалось исправить все пять аберраций монохроматического луча, к сожалению, расположение оптических деталей оказалось при этом неудачным, вызвав сильное виньетирование световых пучков. Поэтому схема представляет лишь теоретический интерес. За последние десятилетия проблемы афокального и иных компенсаторов подробно и неоднократно изучали многие исследователи, особенно сотрудники ГОИ.

Большим шагом вперед явилось развитие зеркально-линзовых систем Шмидтом (1931 г.). Он предложил свою, ставшую теперь знаменитой, систему, в которой сочетаются две основные идеи, открывшие новые широкие возможности:

1)  большому  зеркалу   придается  сферическая  форма;

2) в плоскости входного зрачка, проходящей через центр кривизны сферического зеркала, стоит афокальный компенсатор в виде пластинки, одна сторона которой плоская, вторая — асферическая и рассчитана так, чтобы исправить сферическую  аберрацию  большого  зеркала.

Предложение Шмидта вызвало появление в свет обширной литературы, его система подверглась всестороннему теоретическому и практическому исследованию. Многочисленные предложения, направленные к ее усовершенствованию, продолжают поступать до настоящего времени. Крупное достоинство компенсатора Шмидта состоит в малой чувствительности к смещению и повороту. Он допускает  применение стекла пониженной однородности.

Серьезный недостаток его —в большой трудности изготовления асферической, причем с большим отступлением от плоской поверхности. Положительные качества системы вытекают из того, что зрачок совпадает с центром кривизны зеркала. Это приводит к полному автоматическому уничтожению комы и астигматизма и получению весьма совершенных изображений. Причем и относительное отверстие, и угол поля зрения могут быть доведены до громадных, немыслимых прежде величин (1 : 1 и больше для относительного отверстия, 40° и больше для угла поля зрения — считая в обе стороны от оси). Изображение получается на сферической поверхности, радиус которой равен фокусному расстоянию системы.

Свойства системы Шмидта можно объяснить элементарным способом. Главный (центральный) луч наклонных пучков проходит через центр сферического зеркала, поэтому весь пучок до и после отражения симметричен по отношению к побочной оси зеркала, в качестве которой служит одна из нормалей. Эта симметрия автоматически устраняет кому и астигматизм. Сферическая аберрация уничтожается компенсатором, а хроматическая аберрация практически отсутствует. Плоско-параллельная пластинка в параллельном пучке не создает хроматической аберраций, а возникающие в связи с небольшим отступлением от плоскости призменные элементы обладают такими незначительными углами, что могут вызывать лишь ничтожно малую хроматическую аберрацию.

Последняя оставшаяся аберрация — кривизна, конечно, серьезно затрудняет применение системы для астрономической съемки. Фотографирование на специальных пластинках сферической формы связано с трудностями их обработки, а само изготовление сферических пластинок с равномерным светочувствительным слоем—технологически  трудная задача.  Часто берут плоские, очень тонкие пластинки, которым придают необходимую кривизну. Правда, этот процесс иногда вызывает их поломку. Линза с переменной по высоте толщиной может быть уподоблена ряду плоско-параллельных пластинок, каждая из которых смещает изображение примерно на одну треть соответствующей толщины. Очевидно, что можно рассчитать эту линзу таким образом, чтобы исправить кривизну, создаваемую стоящей перед ней передней оптической системой.

Линзу Пиацци-Смита можно использовать также для уменьшения длины системы Шмидта, ставя ее на некотором расстоянии от фокуса, что позволяет исправить кому и астигматизм, вызванные укорочением расстояния между  коррекционной  пластинкой  и  зеркалом.

Благодаря своей исключительно большой светосиле система Шмидта применяется для целей, далеких от астрономии, например для проекции катода брауновских трубок на экранах телевизионных устройств. Кривизна изображения системы является здесь достоинством, так как катод имеет выпуклое сферическое дно, проектирующееся на плоский экран без аберраций (в первом приближении). Свойство кривизны может оказаться полезным при внедрении недавно разработанной новой методики проекции изображения в инфракрасных лучах на катод электронно-оптического преобразователя.

В последнее время были сделаны попытки добиться от системы Шмидта более высоких показателей, чем те, которые она в состоянии дать. В частности, пытались получить относительные отверстия 1 : 0,7, угол поля зрения — более 40°. Эти эксперименты не увенчались успехом. При слишком большом относительном отверстии появляются неустранимые сферическая и хроматическая аберрации, при больших углах компенсационное действие пластинки недостаточно: на краях изображения возникает заметная сферическая аберрация. Система Шмидта вследствие ее простоты не отличается гибкостью. Исправление перечисленных аберраций невозможно, потому что все ее параметры уже использованы.

Ряд новых предложений касался видоизменений системы Шмидта. Из них следует отметить комбинацию Шмидта — Кассегрена,   представляющую  собой  систему Кассегрена.

Не останавливаясь на многих предложениях, направленных на усовершенствование системы Шмидта, но не представляющих интереса для астрономии, назовем еще систему Райта. Она отличается от камеры Шмидта тем, что почти вдвое короче. Это преимущество достигается заменой сферической поверхности поверхностью сплюснутого эллипсоида, которую значительно труднее изготовлять. Кроме того, одновременное исправление комы и астигматизма в системе Райта невозможно, и ее угол поля зрения меньше, чем в системе Шмидта с теми же характеристиками. Другое серьезное достоинство камеры Райта заключается в том, что плоскость изображения в ней может быть вынесена   из трубы.

В связи с большим распространением систем Шмидта, было затрачено немало труда на изготовление асферической поверхности пластинки, и в настоящее время достигнуты некоторые успехи.

Наибольшая в мире система Шмидта, имеющая диаметр входного зрачка 1,2 м, изготовлена для Паломарской обсерватории в 1950 г.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: