Korektor Volosova. Zdeněk Rail,Daniel Jareš,Vít Lédl, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. OD, Skálova 89, 51101 Turnov e-mail: vod@ipp.cas.



Podobné dokumenty
Korektor komy D.M.Maksutova

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

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.

The Correction of the Optical Aberrations of Astronomical Mirrors

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

9. Geometrická optika

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

Objektiv Merz 160/1790 refraktoru Hvězdárny v Úpici

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

Konstrukce teleskopů. Miroslav Palatka

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

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

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

Centrovaná optická soustava

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

ČOČKY JAKO ZOBRAZOVACÍ SOUSTAVY aneb O spojkách a rozptylkách. PaedDr. Jozef Beňuška jbenuska@nextra.sk

Dalekohledy typu Schmidt-Cassegrain (SCT)

Návrh optické soustavy - Obecný postup

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

Čočky Čočky jsou skleněná (resp. plastová) tělesa ohraničená rovinnými nebo kulovými plochami. Pracují na principu lomu. 2 typy: spojky rozptylky

Fokální korektory. Okuláry. Miroslav Palatka

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Principy korekce aberací OS.

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

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

Gullstrandovo schématické oko

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

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Aplikovaná optika I: příklady k procvičení celku Geometrická optika. Jana Jurmanová

Zobrazovací vlastnosti několika význačných reflektorů

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

Gullstrandovo schématické oko

Geometrická optika 1

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

Fyzika 2 - rámcové příklady Geometrická optika

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

M I K R O S K O P I E

Optika pro mikroskopii materiálů I

Optické zobrazení - postup, kterým získáváme optické obrazy bodů a předmětů

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

Zbytkové optické vady Clarkova osmipalcového objektivu z Ondřejova.

ZOBRAZOVÁNÍ ODRAZEM NA KULOVÉ PLOŠE aneb Kdy se v zrcadle vidíme převrácení. PaedDr. Jozef Beňuška jbenuska@nextra.sk

Paprsková optika. Zobrazení zrcadly a čočkami. Rovinné zrcadlo. periskop zobrazování optickými soustavami.

Měření ohniskových vzdáleností čoček, optické soustavy

OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

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

Název: Čočková rovnice

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

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

3. OPTICKÉ ZOBRAZENÍ

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Gullstrandovo schématické oko

Rozdělení přístroje zobrazovací

ZOBRAZOVÁNÍ ROVINNÝM ZRCADLEM

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

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

Měření zvětšení dalekohledu a ohniskové vzdálenosti objektivů 1. Cíl úlohy

Reektory se tøemi a ètyømi zrcadly

VY_32_INOVACE_FY.12 OPTIKA II

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

Abstrakt: Úloha seznamuje studenty se základními pojmy geometrické optiky

R8.1 Zobrazovací rovnice čočky

25. Zobrazování optickými soustavami

OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. F3240 Fyzikální praktikum 2

Historické brýle. 1690: brýle Norimberského stylu se zelenými čočkami. 1780: stříbrné brýle. konec 18. století: mosazné obruby, kruhové čočky

Simulace zbytkových optických vad objektivu Merz 124/1477

Vady optických zobrazovacích prvků

Zobrazovací vlastnosti několika význačných reflektorů

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

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_20_FY_C

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

h n i s k o v v z d á l e n o s t s p o j n ý c h č o č e k

Optika nauka o světle

Středoškolská technika Jednoduchý projektor

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

Optika OPTIKA. June 04, VY_32_INOVACE_113.notebook

5.2.9 Zobrazení rozptylkou

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

Výfučtení: Jednoduché optické soustavy

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

8.1. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ A JEHO SPEKTRUM. Viditelné světlo Rozklad bílého světla:

17. března Optická lavice s jezdci a držáky čoček, světelný zdroj pro optickou lavici, mikroskopický

3. Optika III Přímočaré šíření světla

Někdy je výhodné nerozlišovat mezi odrazem a lomem tím způsobem, že budeme pokládat odraz za lom s relativním indexem lomu n = 1.

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

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 6: Geometrická optika. Abstrakt

Využití zrcadel a čoček

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

Lupa a mikroskop příručka pro učitele

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Seznam součástek. A. Seznam prvků soupravy GON. Rozměry (cm) nebo Poloměry* (cm) Značka Název prvku

DALEKOHLEDY. Masarykova univerzita v Brně Lékařská fakulta

Úloha 6: Geometrická optika

Nejdůležitější pojmy a vzorce učiva fyziky II. ročníku

Optika. Zápisy do sešitu

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

Transkript:

Korektor Volosova Zdeněk Rail,Daniel Jareš,Vít Lédl, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. OD, Skálova 89, 51101 Turnov e-mail: vod@ipp.cas.cz Abstrakt Krátce po objevu meniskového dalekohledu Maksutova byly zkoumány optické vlastnosti dvojčočkového systému jako korektoru optických vad. Dublet byl umístěn v paralelním svazku paprsků před obecnou optickou soustavou. Afokální korektor, složený ze dvou tenkých čoček ze stejného materiálu umožňoval u řady optických systémů radikální zmenšení zbytkových optických vad a dosažení vynikajících zobrazovacích vlastností. Oproti Schmidtově desce má dvojčočkový korektor pouze sférické plochy a daleko volnější výrobní tolerance než menisek Maksutova. Odvození rovnic pro výpočet parametrů korektoru provedli v roce 1943 Volosov, Galpern a Grebenščikova. Náš referát se zabývá optickými vadami soustavy zrcadla s obecnou asféričností a korektorem Volosova. Tyto systémy jsou mezi optiky a astronomy málo známé, přestože umožňují konstrukci světelných fotografických komor a dalekohledů. The Corrector of Volosov Soon after discovery of meniscus telescope of Maksutov optical properties of doublet corrector was researched. Doublet was placed into parallel light beam in front of common optical system. Afocal corrector composed of two thin lenses of the same glass enables to correct optical aberrations of many systems and to reach radical improvement of their imaging properties. Compared to Schmidt plate doublet corrector possesses only spherical surfaces and its manufacturing tolerances are much freer than meniscus of Maksutov. Derivation of main equations was performed by Volosov, Galpern and Grebenshchikova in 1943. Our paper deals with optical aberrations of the system consisting of common aspherical mirror and corrector of Volosov. These systems are less known among opticians and astronomers but enable construction of fast cameras and telescopes. 1. Úvod Krátce po objevu Schmidtovy a Maksutovovy komory se optici v SSSR (Volosov, Galpern a Grebenščikova) zabývali optickými vlastnostmi afokálního dubletu jako korektoru optických vad. O něco později se stejným problémem zabývali v Holandsku Lurie a ve Velké Británii Houghton. V Maksutovově komoře jsou pro korekci optických vad k dispozizi pouze čtyři parametry dva poloměry křivostí menisku, jeho tloušťka a vzdálenost menisku od primárního zrcadla. Naproti tomu, afokální dublet má čtyři optické parametry použitelné pro korekci optických vad soustavy za ním: poloměry křivostí ploch a v soustavě se zrcadlem jejich vzájemnou vzdálenost. Navíc, zrcadlo může být asférické, takže soustava korektoru Volosova a zrcadla má celkem šest volných parametrů pro korekci optických vad viz obr.1. 2. Aplanatický systém korektoru Volosova se sférickým zrcadlem Optické parametry soustavy sférického zrcadla s korektorem Volosova je možné spočítat přímo ze Seydelových sum [1], [2]. Korektor, dublet z tenkých čoček, má čtyři poloměry křivostí čoček, jejichž hodnoty lze použít jako volné parametry pro splnění čtyř podmínek. První dva parametry použijeme pro splnění podmínek afokálnosti a achromasie. Aby dublet byl afokální, musí mít čočky stejné hodnoty optických mohutnosti, avšak opačných znamének (1). - 58 -

φ 1 + φ 2 = 0 (1) Podmínka achromasie má tvar (2) : φ 1 / ν 1 + φ 2 / ν 2 = 0 (2) kde : φ 1, φ 2 jsou optické mohutnosti čoček ν 1, ν 2 jsou Abbeho čísla skla čoček Mají-li být rovnice (1) a (2) splněny současně, musí být obě čočky vyrobeny ze stejného materiálu, takže ν 1 = ν 2. (3) Další dva parametry jsou použity pro anulování první a druhé Seydelovy sumy pro opravu sférické vady a komy. S I = S I (h i, P i,b i ) (4) S II = S II (y i, P i, B i,w i ) (5) kde : h i, y i jsou výšky průsečíku prvního a druhého paraxiálního paprsku na í-té ploše P i,w i jsou příspěvky i-té plochy do Seydelovy sumy Jejich hodnoty závisejí na indexech lomů prostředí před a za plochou, dopadových a transformovaných úhlech prvního a druhého paraxiálního paprsku a poloměru křivosti plochy. B i reprezentuje příspěvek asféričnosti plochy. Sférické zrcadlo má hodnotu B i = 0 Výpočet optických parametrů je možné provádět podle [1] nebo [2]. Metodika výpočtu : Na začátku výpočtu zvolíme vzdálenost d 4 korektoru od sférického primárního zrcadla. Toto zrcadlo má hodnoty příspěvků do Seydelových sum P 5 = 1/4, W 5 = 1/2. Z těchto třech hodnot spočítáme P Ik,W Ik, které jsou v Seydelových sumách součty příspěvků P i,w i ploch korektoru. Seidelovy sumy (4) a (5) poté upravíme na tvarové rovnice, z nichž vyjdou poloměry křivostí ploch korektoru. Během výpočtu lze volit optické mohutnosti čoček, rozhodnout, zda vstupní čočka je spojka nebo rozptylka a ovlivňovat jejich tvary. Při podrobnějším rozboru tvarů čoček lze najít i řešení korektoru, kde R 1 = -R 3 a R 2 = -R 4. Malou odchylkou od podmínky R 1 = -R 3, změnami R 1 lze měnit sférochromatickou vadu soustavy. Z hlediska technologie výroby je toto řešení ekonomicky velmi výhodné. Díky stejně velkým, ale opačným hodnotám poloměrů křivostí ploch se zjednoduší výroba měřících kalibrů a brusných podložek. Korektor s výše uvedenými parametry čoček se v literatuře označuje jako Houghton nebo Lurie Houghton, jak v jednozrcadlovém, tak i ve dvojzrcadlovém systému [3]. 3. Zbytkové optické vady aplanatické soustavy Sférochromatická vada podstatně závisí na optických mohutnostech čoček korektoru. Vzhledem k tomu, že optické mohutnosti čoček lze během výpočtu libovolně měnit, můžeme jimi tuto vadu ovlivňovat. Lze najít řešení, u kterého je pro jednu vlnovou délku zcela opravena otvorová vada a paprsky všech vlnových délek se protínají v jedné zóně. Tento typ korekce je typický pro soustavu se Schmidtovu korekční deskou. Pro jiné hodnoty optických mohutností čoček korektoru je možné obdržet korekce s nevykompenzovanými vadami vyšších řádů, které jsou charakteristické pro soustavy s menisky. Koma v soustavě korektoru Volosova se sférickým zrcadlem je zcela kompenzována. Astigmatismus kompenzován není [4]. - 59 -

Vyjádříme-li třetí Seydelovu sumu, dostaneme podmínku (6): kde d 4 je vzdálenost korektoru od primárního zrcadla S III = (d 4 2) 2 (6) Z rovnice (6) vyplývá, že chceme-li anulovat astigmatismus, musíme umístit korektor do středu křivosti zrcadla, protože d 4 = 2. S přibližováním dubletu ke středu křivosti se však hodnota W ik blíží k nule, ale tento parametr se ve tvarových rovnicích upravených ze Seydelových sum (4) a (5) vyskytuje ve jmenovatelích. Křivosti ploch tak nabývají vysokých hodnot a navíc vzrůstají vady vyšších řádů. Při volbě d 4 = 1,8 * f vychází soustava se sférickým zrcadlem prakticky dokonale anastigmatická viz obr.2. Je-li však korektor umístěn od primárního zrcadla ve vzdálenosti rovné její ohniskové vzdálenosti d 4 = 1, pak přístroj má stejný zbytkový astigmatismus jako ekvivalentní paraboloidické zrcadlo - viz obr.3. Petzvalovská křivost soustavy je rovna ohniskové vzdálenosti přístroje. Ohnisková plocha vychází směrem k zrcadlu konvexní. 4. Anastigmatický systém korektoru Volosova s asférickým primárním zrcadlem Abychom anulovali třetí Seydelovu sumu a získali anastigmatický systém, je nutné k rovnicím přidat další parametr, například asféričnost primárního zrcadla B 5.Zavedením parametru B 5 dojde k jednoznačnému stanovení hodnody vzdálenosti korektoru vůči vrcholu primárního zrcadla d 4, čímž je splněna třetí Seydelova suma.ostatní parametry P Ik,W Ik počítáme z první a druhé Seydelovy sumy. Stejně jako u aplanatické verze je možné volit optické mohutnosti čoček. Lze také nalézt takové tvary čoček, u kterých je R 1 = -R 3 a R 2 = -R 4. Malou odchylkou od podmínky R 1 = -R 3, změnami R 1 lze měnit polohu nulové zóny korektoru, která je společná pro paprsky všech vlnových délek. Je důležité napsat vztah mezi asféričností primárního zrcadla a vzdáleností korektoru od zrcadla. Zvolíme-li primár paraboloidický, vychází vzdálenost d 4 rovna ohniskové vzdálenosti systému viz obr.4 a 5.Je-li primární zrcadlo hyperboloidické, korektor bude k zrcadlu blíže - viz obr. 6 a 7. Vzdálenost korektoru od elipsoidálního zrcadla se bude pohybovat v intervalu od d 4 = f do d 4 = 2 * f - viz obr. 8 a 9. Sférické primární zrcadlo podle podmínky (6) bude mít korektor umístěn v jeho středu křivosti. V praxi se ukazuje, že soustava s d 4 = 1,8 * f se sférickým zrcadlem má zanedbatelný astigmatismus. Soustavy s nejlépe vykorigovanými vadami vycházejí pro asféričnosti primárního zrcadla σ 5 = -0,1 až σ 5 = -0,3 a vzdálenosti d 4 = 1.5 * f až d 4 = 1.3 * f. 5. Zbytkové optické vady anastigmátu Zbytkové optické vady anastigmatické soustavy jsou prakticky totožné jako u Schmidtovy soustavy o stejných rozměrech. Vhodnou volbou optických mohutností čoček korektoru je možné dosáhnout pro jednu vlnovou délku opravy sférické vady pro všechny řády nebo naopak připustit vady vyšších řádů tak, aby nezhoršovaly zobrazovací vlastnosti přístroje. Tvar zbytkové sférochromatické vady je možné zvolit tak, aby byl podobný profilu průběhu vady ve Schmidtově nebo Maksutovově komoře. Anastigmatická komora o průměru 1800 mm a světelnosti 1/5 vykreslí zorné pole o průměru 6 stupňů s geometrickými obrazy hvězd srovnatelnými s difrakčními. Stejně velká Schmidtova nebo Maksutovova komora by měla zobrazovací vlastnosti horší. 6. Závěr Výroba korektoru, který se skládá ze dvou čoček se sférickými povrchy je mnohem jednodušší díky volnějším tolerancím než technologicky náročná výroba Schmidtovy desky nebo Maksutovova menisku, přičemž se dosáhne srovnatelných nebo lepších korekcí obrazu. Optické výpočty byly prováděny v programu ZEMAX [5]. Přiložené obrázky ukazují optimalizované soustavy o průměru 200 mm a ohniskové vzdálenosti 1000 mm. 7. Literatura [1] Volosov D.S., Metody rasčota složnych fotografičeskich sistem, OGIZ, Leningrad, 1948 [2] Apenko M.,I., Dubovik A.,S., Prikladnaja optika,nauka,moskva,1982 [3] Rutten van Venrooij, Teleskope Optics, Willmann-Bell, Inc., Richmond, Virginia, 2002 [4] Maksutov D.D., Izgotovljenije i issledovanije astronomičeskoj optiki, Nauka, Moskva, 1984 [5] Optical design Program Zemax, User s Guide,Version 10, Focus Software, Inc., Tucson, 2005-60 -

obr.1 schéma jednozrcadlové soustavy s korektorem Volosova obr.2 spot-diagramy jednozrcadlové soustavy s korektorem Volosova - 61 -

obr.3 spot-diagramy soustavy Volosova, u kterého je vzdálenost korektoru od zrcadla rovna jeho ohniskové vzdálenosti. Dominantní mimoosovou vadou je astigmatismus. obr.4 schéma anastigmatické soustavy s paraboloidickým zrcadlem a korektorem Volosova - 62 -

obr.5 spot-diagramy anastigmatické soustavy s paraboloidickým zrcadlem a korektorem Volosova obr.6 schéma anastigmatické soustavy s hyperboloidickým zrcadlem a korektorem Volosova - 63 -

obr.7 spot-diagramy anastigmatické soustavy s hyperboloidickým zrcadlem a korektorem Volosova obr.8 schéma anastigmatické soustavy s elipsoidálním zrcadlem a korektorem Volosova - 64 -

obr.9 spot-diagramy anastigmatické soustavy s elipsoidálním zrcadlem a korektorem Volosova - 65 -