Optický návrh zobrazovací soustavy spektrografu s vícekanálovým filtrem. Optical design of imaging system of spectrograph with multichannel filter



Podobné dokumenty
Simulation of Residual Optical Aberrations of Objective Lens 210/3452 of Solar Spectrograph of Ondřejov Observatory

Zobrazovací soustava pro spektrograf s vícekanálovým Šolcovým filtrem. Daniel Jareš, Vít Lédl, Zdeněk Rail. 2. Varianty zobrazovacích soustav

Katadioptrické soustavy Argunova, Popova a Klevcova.

Korektor Volosova. Zdeněk Rail,Daniel Jareš,Vít Lédl, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. OD, Skálova 89, Turnov

Meniskové dalekohledy. Daniel Jareš,Vít Lédl,Zdeněk Rail Ústav fyziky plazmatu AV ČR,v.v.i.- OD Skálova 89,51101 Turnov vod@ipp.cas.

Řetězový filtr pro více astronomicky zajímavých spektrálních čar

Zobrazovací vlastnosti několika význačných reflektorů

Hrazení úzkopásmových filtrů

Korektor komy D.M.Maksutova

The Correction of the Optical Aberrations of Astronomical Mirrors

Objektiv Merz 160/1790 refraktoru Hvězdárny v Úpici

Optické parametry objektivu Secrétan Paris 130/1930 Hvězdárny v Úpici.

Návrh optické soustavy - Obecný postup

M I K R O S K O P I E

V letošním roce je v plánu vývoj a výroba prototypu ISSR, o jejichž vlastnostech a aplikacích bych zde rád podrobněji referoval.

Dalekohledy typu Schmidt-Cassegrain (SCT)

Konstrukce teleskopů. Miroslav Palatka

Optické návrhy několika přístrojů sluneční fyziky

Dalekohledy. y τ τ F 1 F 2. f 2. f 1. Předpoklady: 5211

Pozorování Slunce s vysokým rozlišením. Michal Sobotka Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov

Vývoj celodiskového dalekohledu pro EST

Zdeněk Rail, Zbyněk Melich, Daniel Jareš, Pavel Pintr, David Vápenka Ústav fyziky plazmatu AV ČR,v.v.i.- Toptec Sobotecká 1660, Turnov

VY_32_INOVACE_FY.12 OPTIKA II

Analýza dat a spektrálního rozlišení spektrometrů s řádkovými senzory

Lupa a mikroskop příručka pro učitele

Optika pro mikroskopii materiálů I

5.2.9 Zobrazení rozptylkou

Jak vyrobit monochromatické Slunce

Vliv komy na přesnost měření optických přístrojů. Antonín Mikš Katedra fyziky, FSv ČVUT, Praha

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

Zpracování astronomických snímků (Část: Objekty sluneční soustavy) Obsah: I. Vliv atmosféry na pozorovaný obraz II. Základy pořizování snímků planet

Simulace zbytkových optických vad objektivu Merz 124/1477

Rozdělení přístroje zobrazovací

DUM č. 5 v sadě. 12. Fy-3 Průvodce učitele fyziky pro 4. ročník

Projekt Brána do vesmíru

od 70mm (měřeno od zadní desky s axiálním výstupem) interní prvky opatřeny černou antireflexní vrstvou, centrální trubice s vnitřní šroubovicí

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

ZOBRAZOVÁNÍ ČOČKAMI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Septima - Optika

Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek.

Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí. Bulletin referátů z konference

Optika OPTIKA. June 04, VY_32_INOVACE_113.notebook

POČÍTAČOVÁ SIMULACE VLIVU CHYB PENTAGONÁLNÍHO HRANOLU NA PŘESNOST MĚŘENÍ V GEODÉZII. A.Mikš 1, V.Obr 2

Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát

9. Geometrická optika

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.III. Název: Mřížkový spektrometr

Fyzika 2 - rámcové příklady Geometrická optika

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

1. Z přiložených objektivů vyberte dva, použijte je jako lupy a změřte jejich zvětšení a zorná pole přímou metodou.

Bodový zdroj světla A vytvoří svazek rozbíhajících se paprsků, které necháme projít optickou soustavou.

Fokální korektory. Okuláry. Miroslav Palatka

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

EXPERIMENTÁLNÍ METODA URČENÍ ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ OBJEKTIVU ANALAKTICKÉHO DALEKOHLEDU. A.Mikš 1, V.Obr 2

Typy světelných mikroskopů

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

GEOMETRICKÁ OPTIKA. Znáš pojmy A. 1. Znázorni chod význačných paprsků pro spojku. Čočku popiš a uveď pro ni znaménkovou konvenci.

Video mikroskopická jednotka VMU

Geometrická optika. Optické přístroje a soustavy. převážně jsou založeny na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fyzikálním polem

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Zbytkové optické vady Clarkova osmipalcového objektivu z Ondřejova.

Zobrazovací vlastnosti několika význačných reflektorů

R8.1 Zobrazovací rovnice čočky

ZOBRAZOVÁNÍ ZRCADLY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Optika

Název školy: Základní škola a Mateřská škola Žalany. Číslo projektu: CZ. 1.07/1.4.00/ Téma sady: Fyzika 6. 9.

Sada Optika. Kat. číslo

Principy korekce aberací OS.

Konstrukční varianty systému pro nekoherentní korelační zobrazení

Software Dynamická geometrie v optice. Andreas Ulovec Andreas.Ulovec@univie.ac.at

HSFA - největší sluneční dalekohled a spektrograf v ČR vlastnosti, výsledky, perspektivy. Pavel Kotrč, Astronomický ústav v.v.i.

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

ANALÝZA MĚŘENÍ TVARU VLNOPLOCHY V OPTICE POMOCÍ MATLABU

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Jednoduchý elektrický obvod

Centrovaná optická soustava

SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník MĚŘICKÝ SNÍMEK PRVKY VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ ORIENTACE CHYBY SNÍMKU

Konstrukce spektroskopu pro pozorování hvězdných spekter

REALIZACE BAREVNÉHO KONTRASTU DEFEKTŮ V OPTICKÉ PROSTOVĚ-FREKVENČNÍ OBLASTI SPEKTRA

Dalekohled (nejen) astronomický 1. Když se řekne dalekohled dalekohled 2. Základní vlastnosti dalekohledu 3. Pár rad pro jeho výběr

Slunce ve vysokoenergetických oblastech spektra

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

Spektrální charakteristiky

Základní pojmy a vztahy: Vlnová délka (λ): vzdálenost dvou nejbližších bodů vlnění kmitajících ve stejné fázi

Fotoelektrická měření magnetických a rychlostních polí. Miroslav Klvaňa, Astronomický ústav Akademie věd, observatoř Ondřejov

Ing. Jakub Ulmann. Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

36. konference Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí. Úpice PROGRAM

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

Využití lineární halogenové žárovky pro demonstrační experimenty

S v ě telné jevy. Optika - nauka - o světle, jeho vlastnostech a účincích - o přístrojích, které jsou založeny na zákonech šíření světla

Měření optických vlastností materiálů

Zahrádka,Obrdlík,Klouda

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Schmidt-Cassegrain. = Cassegrain + asférická korekèní deska. ohnisková rovina je vysunuta ven

Chromatic Aberration of Several Important Refractors of the 19th and 20th Century

POZOROVÁNÍ SLUNCE VE SPEKTRÁLNÍCH ČARÁCH. Libor Lenža Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o.

Fyzika aplikovaná v geodézii

Cvičení Kmity, vlny, optika Část interference, difrakce, fotometrie

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

Gullstrandovo schématické oko

Transkript:

Optický návrh zobrazovací soustavy spektrografu s vícekanálovým filtrem Zdeněk Rail, Daniel Jareš,Vít Lédl, Radek Melich, Zbyněk Melich, Jan Václavík a Pavel Oupický Ústav fyziky plazmatu AV ČR,v.v.i.- oddělení Optická diagnostika, Skálova 89, 511 01 Turnov, e-mail : vod@ipp.cas.cz V současné době je v ÚFP AV ČR, v.v.i. OD vyvíjen v rámci grantu vícekanálový filtr. Bude umožňovat pozorování dějů na Slunci v několika zajímavých pracovních vlnových délkách. Tento filtr je složen z pěti členů a vyznačuje se dlouhou délkou chodu paralelních paprsků. V referátu je uvedeno několik variant zobrazovacích soustav spektrografů,které jsou optimalizovány pro takový vícekanálový filtr. Optical design of imaging system of spectrograph with multichannel filter At present time multi channel filter is developed within grant in IPP AS CR, v.v.i. It will enable to observe solar phenomena in several interesting working wavelengths. This filter is composed of five members and possesses long optical interval of parallel beams. In this paper we present several variants of imaging systems of spectrograph which are optimized for this filter. 1. Úvod Spektrografy, které užívají jako monochromátoru úzkopásmový dvojlomně-polarizačního filtr, bývají nejčastěji konstruovány jen pro jednu pracovní vlnovou délku. Podrobná analýza [1] ukázala možnost rozšíření počtu pracovních propustí filtru. Takový filtr je vyvíjen v ÚFP AV ČR v.v.i. - OD v rámci grantu číslo 1SQ100820502. Měl by pracovat v čárách K II, H-gama, Ba II, H-beta, D1, D3, H-alfa, což umožní získávat výškové profily dějů ve sluneční atmosféře [2]. Zobrazovací soustava k tomuto filtru musí umožnit zobrazení sluneční atmosféry ve všech kanálových propustech. 2. Spektrograf Samotný spektrograf se skládá ze čtyř logických celků [3]: První je napájecí zobrazovací člen, určující úhlovou rozlišovací schopnost přístroje. V našem případě je požadováno rozlišení 1 úhlové vteřiny, čemuž odpovídá průměr vstupní apertury 150mm. Ohnisková vzdálenost tohoto členu 2000 mm je zvolena s ohledem na optický průměr filtru 30 mm. Druhou částí spektrografu je kolimační objektiv, který je umístěn za ohniskem vstupního členu. Jeho funkcí je transformovat rozbíhavou vlnu vstupního objektivu do paralelní, vstupující do filtru. Čím více se svazek vystupující z tohoto členu blíží paralelnímu, tím lepší je spektrální rozlišení spektrografu. Svazek procházející filtrem by neměl mít sbíhavost čí rozbíhavost horší než 1:35 až 1:40. Třetí částí spektrografu je samotný vícekanálový filtr. Je tvořen celkem pěti členy [1] viz obr.1 : První obsahuje karusel s hradícími napařenými Fabry-Perotovými filtry. Další dva členy jsou dvojlomně-polarizační filtry laděné sklonem a teplotou. Obsahují křemenné destičky vyříznuté z krystalu křemene s obecnou orientací řezu. Každý z nich reprezentuje 50 mm chodu paprsků krystalickým křemenem. Za těmito členy je hlavní křemenný filtr o celkové délce 300 mm. Poslední, pátý člen, je dlouhý 50 mm a je vyroben z krystalického vápence. Jeho funkcí je zúžení pološířky propustnosti čar. Celková délka chodu paralelních paprsků v tomto spektrografu činí 1000 mm, což je trojnásobek až čtyřnásobek délky chodu paralelních paprsků u běžně vyráběných filtrů pro jednu pracovní vlnovou délku. Protože optický průměr filtrových destiček je 30mm, není u tohoto vícekanálového spektrografu požadováno zobrazení celého povrchu Slunce. Čtvrtý, poslední člen, je zobrazovací objektiv. Ten vytváří skutečný obraz slunečního povrchu na CCD detektoru.ohnisková vzdálenost tohoto objektivu pak vytváří měřítko obrazu celého systému. Celková ohnisková vzdálenost systému je zvolena 3000 mm. V našich návrzích byl obor použitelných vlnových délek rozšířen na rozsah od 390 nm do 1100 nm. 3. Navrhovaná řešení Pro návrh napájecí zobrazovací soustavy byla původně zvolena mimoosová optická soustava Maksutova [4,5] - viz obr.2, která při průměru 150 mm a ohniskové vzdálenosti 2000 mm vykazovala nejlepší perspektivu splnit zadané požadavky na zobrazovací vlastnosti. Při výpočtu [6,7,8,9] celé konfigurace spektrografu se však ukázala skutečnost, že pro kvalitní korekci optických vad spektrografu bude nutné kolimační a zobrazovací - 45 -

objektivy navrhnout jako čtyřčočkové, které měly dostatek optických parametrů na kompenzaci zbytkových vad celého systému. Dále bylo nutné použít materiálu FPL53, který je velice měkký. Požadavek na kompenzaci chromatické vady polohy v celém pracovním oboru byl u této soustavy splněn s přesností pouze 2 %, Pro výslednou ohniskovou vzdálenost soustavy f = 3000 mm činil tento rozdíl 68 mm. Toto komplikované řešení se ukázalo jako nevýhodné a tudíž nebylo realizováno. Ze všech navržených typů spektrografů měl však tento systém největší nevinětované zorné pole o průměru 15 minut. V celém spektrálním oboru bylo u všech obrazů dosaženo geometrických obrazů blízkých difrakčním - viz obr.3. Pro finální řešení spektrografu byla vybrána čočková soustava, jejíž vstupní člen je netmelený dublet o průměru 150 mm a ohniskové vzdáleností 2000 mm. Kolimační i zobrazovací objektiv jsou také dublety s obecnými tvarovými parametry. U tohoto systému viz obr.4, který se vyznačuje jednoduchostí a stabilitou optického řešení, vychází rozdíl ohniskových vzdáleností mezi vlnovými délkami 390 nm až 1100 nm také 2 % - 60 mm při celkové ohniskové vzdálenosti spektrografu 3000 mm.oproti původní soustavě Maksutova je průměr nevinětovaného zorného pole menší a činí 10 minut. Výpočet ukazuje, že v celém spektrálním rozsahu od 390 nm do 1100 nm budou geometrické obrazy menší než difrakční v zorném poli o průměru 10 minut, takže soustava bude mít vysoký kontrast viz obr.5. Všechny čočky této soustavy jsou vyrobeny z chemicky i mechanicky stabilních klasických skel BK7 a F2. 4. Další varianty zobrazovacích soustav Vynikající zobrazovací vlastnosti má také afokální dvojzrcadlová soustava s paraboloidickým primárním a hyperboloidálním sekundárním zrcadlem, blízká Mersenovu systému. Filtrem prochází paralelní svazek z dvojzrcadlové soustavy, jako zobrazující člen lze použít mimoosový paraboloid nebo mimoosový Cassegrain viz obr. 6 a 7, takže vznikne katoptrický systém. Změnou ohniskové vzdálenosti výstupního zobrazujícího zrcadla nebo vzdáleností zrcadel mimoosového Cassegrainu je možné prodlužovat výslednou ohniskovou vzdálenost (2 až 3,5) krát bez zhoršení kvality obrazu viz obr. 8 a 9. Jejich nevýhodou je centrální stínění a nutnost odclonění parazitních paprsků. Aby se předešlo centrálnímu stínění, lze napájecí soustavu realizovat jako mimoosový dvojzrcadlový systém. Velice vhodný je mimoosový systém Pressman -Camichel se sférickým primárním zrcadlem a sféroidálním konvexním mimoosovým sekundárem viz obr.10. Ten je při vhodných rozměrech velice snadno vyrobitelný. Narozdíl od Kutterovy soustavy má systém Pressman-Camichel na optické ose stigmatické obrazy viz obr.11. Jeho nevýhodou je malé zorné pole cca 5 minut a horší mimoosové obrazy. Rozdíly mezi ohniskovými vzdálenostmi pro paprsky o vlnových délkách od 390 nm do 1100 nm činí jen 0,5 jeho ohniskové vzdálenosti. 5. Závěr Optický návrh zobrazovací soustavy vícekanálového spektrografu byl optimalizován tak, aby jako celek vykazoval co nejlepší zobrazení. Přestože hlavní pracovní spektrální obor je v intervalu mezi čarami K II až H- alfa, je možné s ním pozorovat i v blízkém IČ oboru. Během hledání variant zobrazovacích systémů byly nalezeny soustavy, které lze potenciálně využít pro spektrografy s jednou nebo dvěma pracovními vlnovými délkami a s kratším chodem paralelních paprsků. Veškeré optické výpočty byly prováděny v programu ZEMAX. Práce je řešena jako dílčí část úkolu Podpora projektů cílového výzkumu AV ČR, číslo 1SQ100820502. 5. Literatura [1] Melich Z., Melich R., Šolc I., Oupický P., Řetězový filtr pro více astronomicky zajímavých spektrálních čar, Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí, Sborník referátů, rok 2007 [2] Kuiper G. P.,The Sun, The University of Chicago Press, Chicago,Illinois, 1953 (Překlad Dž.Kojper, Solnce, Izdatělstvo innostrannoj literatury, Moskva,1957) [3] Michelson N.N., Optičeskije teleskopy, Izdatelstvo Nauka, Moskva, 1976 [4] Jareš.D., Lédl V., Rail Z., Zobrazovací soustava pro spektrograf s vícekanálovým Šolcovým filtrem, Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí, Sborník referátů, rok 2007 [5] Rail Z., Melich Z., Projekt optické části slunečního robotnického dalekohledu, interní zpráva ÚFP AVČR v.v.i.,od, Turnov [6] Rutten van Venrooij, Teleskope Optics, Willmann-Bell, Inc., Richmond, Virginia, 2002 [7] Volosov D.S., Metody rasčota složnych fotografičeskich sistem, OGIZ, Leningrad, 1948 [8] Maksutov D.D., Izgotovljenije i issledovanije astronomičeskoj optiki, Nauka, Moskva, 1984 [9] Optical design Program Zemax, User s Guide,Version 10, Focus Software, Inc., Tucson, 2005-46 -

obr.1 schéma vícekanálového filtru obr.2 schéma původního návrhu mimoosového Maksutova - 47 -

br.3 matrix spot-diagramy původního návrhu mimoosového Maksutova obr.4 schéma návrhu s klasickým dubletem - 48 -

obr.5 matrix spot-diagramy návrhu s klasickým dubletem obr.6 schéma spektrografu s Mersenem - 49 -

obr.7 - matrix spot-diagramy návrhu s Mersenem obr.8 schéma návrhu s Mersenem a Cassegrainem - 50 -

obr.9 matrix spot-diagramy návrhu Mersena s Cassegrainem obr.10 schéma návrhu Pressman - Camichela - 51 -

obr.11 matrix spot-diagramy návrhu Pressman - Camichela - 52 -