Содержание.

1. Общий обзор группы систем Клевцова.
2. Системы с корректором из одного сорта стекла.
3. Системы с корректором из разных сортов стекла.
4. Сравнение 500мм, 1:6 системы автора с зеркальными аналогами: Кассегрен, Ричи-Кретьен.
5. Действующие и строящиеся телескопы систем Клевцова.
6. Литература.

рис.1 Оптические системы телескопов с менисковыми корректорами: а - с мениском и отражательной линзой; б - с двухлинзовым корректором; в - с мениском, склеенным из двух линз.

Исправление в чисто зеркальной системе Кассегрена сферической аберрации и комы, как известно (системы Ричи-Кретьена с гиперболическими зеркалами), требует асферизации как главного, так и вторичного зеркал. Отказ от асферизации немедленно ставит вопрос о том, где взять два свободных параметра, которыми можно исправить сферическую аберрацию и кому системы? П.П. Аргунов в 1963 г. [1] предложил использовать вместо вторичного зеркала двухлинзовый корректор с отражательной поверхностью. Однако, он вносил в систему большой вторичный спектр, так как был собран из линз значительной оптической силы с существенно разной дисперсией. Двухлинзовый афокальный корректор из одного материала, несколько отодвинутый от вторичного зеркала с целью исправления комы, предложенный тем же автором [3], по причине наличия в нем поверхностей малой кривизны давал паразитные блики. Таким образом, приемы коррекции аберраций, которые использовал П.П.Аргунов, не привели к хорошему результату, что в свое время стимулировало автора к поиску иных путей решения этой проблемы. Что же еще можно использовать для коррекции сферической аберрации и комы системы двух сферических зеркал, не внося в нее значительный остаточный хроматизм и блики?

В июле 1974 г. я занялся исследованием возможности применения в корректоре мениска, приставленного вплотную к вторичному зеркалу и работающего, таким образом, в двойном ходе лучей. Действительно, ведь известно, что менисковые линзы Максутова практически афокальны и ахроматичны. В связи с чем, при установке такого мениска вплотную к вторичному зеркалу не должны существенно измениться ни фокусное расстояние двухзеркальной системы, ни положение ее плоскости фокусировки, при этом не будет и большого хроматизма положения, что позволяет надеяться на гораздо более лучшее исправление вторичного спектра в такой системе. Вместе с тем, при заданной толщине, такая линза имеет два свободных параметра: прогиб и разность радиусов, которыми можно исправить сферическую аберрацию и кому системы двух сферических зеркал. Детальные исследования подтвердили такую возможность, а также и то, что при этом всегда остается некоторый довольно малый хроматизм положения, вводимый мениском, и зависящий, к тому же, от его ориентировки в оптической схеме. В 1967 г. Г.М. Попов, исследуя ту же задачу [4] выбрал ориентировку мениска с положительным прогибом, имеющую минимальный хроматизм положения, а чтобы полностью его исправить, отказался от полного исправления комы. Ничего не зная в то время о его работе, я нашел другие, на мой взгляд более перспективные, пути решения задачи коррекции хроматизма положения мениска.

Можно, как это сделано мною в 1975 г. [5], схема (рис.1а), выполнить отражательный элемент корректора в виде линзы Манжена (этот способ, кстати, получил наибольшую известность ввиду простоты реализации [6,7]), тогда сравнительно небольшая разница радиусов этой линзы позволит, принципиально не нарушая условий обеспечения апланатической коррекции системы, избавиться не только от хроматизма положения, но также и от вторичного спектра в весьма широком диапазоне длин волн, если только линзы корректора имеют один и тот же или близкий ход дисперсии.

Можно сделать мениск склеенным из двух равных по показателю преломления для основной линии спектра, но разных по дисперсии марок стекла и подобрать радиус хроматической склеенной поверхности таким образом, что хроматизм положения системы окажется исправленным. По этому принципу построена система (рис.1в), исследованная мною в 1981 г., причем стекла для линз подобраны с близкими по значению коэффициентами дисперсии, что дало возможность коррекции сферохроматической аберрации в довольно широком диапазоне спектра от 436 до 767 нм.

Можно, наконец, ввести в корректор две линзы, как это сделано в системе (рис.1б), запатентованной мною в 1985 г. [8], при этом их не требуется отодвигать от вторичного зеркала, как это имеет место в работе [3]. Если выполнить эти линзы из стекол незначительно различающихся по дисперсии, удается еще уменьшить величину вторичного спектра и обеспечить исключительно широкую область работы системы от 365 до 1600 нм.

Однако, особого внимания заслуживает схема (рис.1а), корректор которой состоит всего из двух элементов: мениска и отражательной линзы Манжена [5]. Последняя вариация этой системы с разными стеклами в корректоре [9], разработанная мною в конце 1995 г., позволила увеличить как относительное отверстие (до 1:6), так и спектральную область работы и сейчас системы, изображенные на (рис.1б) и (рис.1в), представляют скорее исторический, нежели практический интерес, так как в технологическом плане и в отношении коррекции аберраций они явно уступают вновь разработанной системе [9], в связи с чем, в дальнейшем остановимся более подробно именно на этой схеме (рис.1а).

рис.2 Возможные варианты корректора в системе с мениском и отражательной линзой.

	рис.3 Остаточные осевые аберрации системы с корректором из стекол СТК12/КФ6 (200 мм 1:7): а - продольные, б - волновые.
	рис.4 Вторичный спектр системы с корректором из стекла марок: 1 - СТК12, 2 - К8, 3 - СТК12/КФ6, 4 - СТК10/ТК21.

Остаются еще габариты трубы, определяемые длиной оптической системы, а также диаметр вторичного зеркала или корректора, которые тоже влияют на асферичность, качество изображения и децентрировки и которые также при сопоставлении желательно иметь одинаковыми. К сожалению анализ показывает, что одновременно одинаковыми оба последних параметра в моей и зеркальной системе сделать нельзя по причине наличия в корректоре отрицательных компонентов. Можно сделать что-то одно: или уравнять диаметр корректора моей системы с диаметром вторичного зеркала и в этом случае длина трубы зеркального телескопа окажется несколько длиннее, чем в моей системе, или же уравнять габариты обеих систем по оси и тогда вторичное зеркало будет иметь несколько меньшие размеры, чем корректор. Понятно, что оптические свойства этих видов эквивалентных зеркальных систем окажутся разными, но они определят те границы исследования, за которыми исчезает смысл сопоставления, поэтому ниже рассмотрим оба вида эквивалентности: по осевым габаритам и диаметру вторичного элемента при прочих равных условиях.

Для сопоставления своей системы с зеркальными автор рассчитал новую оптическую систему [9] с действующим отверстием 500 мм (1:6) со стеклами корректора СТК10 и ТК21 для области спектра F-C. Конструктивные параметры этой системы, необходимые для сопоставления, и параметры обеих эквивалентных систем Кассегрена: r1; r2; d1 - приведены в таблице.

Конструктивные элементы двухзеркальных систем D=500 мм (1:6); D=193.916 мм

	1	2	3	4	5
Вид системы	Кассегрен	Ричи-Кретьен	Кассегрен	Ричи-Кретьен	Система автора
r1 (мм)	- 2321.053		- 1980.635
r2 (мм)	- 1232.325		- 877.462		--
d1 (мм)	- 782.722		- 696.414		- 646.384 (- 694.43)
e12	1	1.14572	1	1.09273	--
e22	5.11575	7.06227	3.94239	4.98373	--
d1max(мкм)	9.0	10.4	14.5	15.9	--
d2max(мкм)	3.9	5.4	5.7	7.1	--
b (мм)	0.16	0.128	0.096	0.082	0.18
h2	0.325546		0.296777		0.325546
a2	- 2.58503		- 3.02933
Rt (мм)	- 459.8	- 291.3	- 364.9	- 235.4	- 195.5
Rs (мм)	- 811.4	- 605.5	- 568.2	- 442.0	- 557.8

Тут же при водятся эксцентриситеты зеркал e1 и e2, соответствующие эквивалентным схемам Ричи-Кретьена, асферичность d₁^max и d₂^max (отклонение от ближайшей сферы сравнения с учетом 100 мм отверстия в главном зеркале) и значение допустимой поперечной децентрировки b главного зеркала, соответствующее критерию Марешаля (среднеквадратическое отклонение волнового фронта от ближайшей сферы сравнения, вызванное комой децентрировки, на оси схемы не более l /14 для l = 555 нм). Rt и Rs радиусы поля (меридианальный и сагиттальный), D - вынос плоскости фокусировки за лицевую поверхность главного зеркала, h2 и a2 - относительный диаметр вторичного зеркала (или первой поверхности корректора) и увеличение вторичного зеркала (или корректора). Проанализируем данные таблицы. Столбцы 1 и 2 соответствуют зеркальным системам Кассегрена и Ричи-Кретьена, эквивалентным по диаметру вторичного зеркала (по h2). Столбцы 3 и 4 соответствуют зеркальным системам, эквивалентным по увеличению вторичного зеркала (по a2), что практически эквивалентно сохранению длины систем по оси от главного зеркала до вторичного и от главного зеркала до выпуклой поверхности отражательной линзы корректора (см. данные d1 в 3 и 4 столбцах и сравни их с данными столбца 5 в скобках). Таким образом, эквивалентность по габаритам практически совпадает с эквивалентностью по увеличению вторичного элемента и, следовательно, с эквивалентностью по относительному отверстию главного зеркала телескопа. Если бы мы начали сопоставлять с моей системой именно такие системы, пришли бы к выводу, что при одинаковых габаритах у зеркальных систем имеется двукратный проигрыш в допустимых значениях децентрировки главного зеркала и что пожалуй важнее всего, зеркала этих систем из-за их большой асферичности весьма трудно или практически невозможно изготовить с точностью, приемлемой для астрономической оптики. Однако, системы в 1 и 2 столбцах имеют длину лишь на 13% большую, чем длина моей системы при данном относительном отверстии и выносе плоскости фокусировки (при меньшем относительном отверстии эта разница может стать значительной), а полуторный выигрыш в асферичности и допустимой децентрировке зеркал у этих систем представляется фактором гораздо более существенным, чем незначительный проигрыш их в габаритах. Из рассмотрения данных по Rt и Rs следует также, что в системах эквивалентных по диаметру вторичного зеркала, должен быть и некоторый выигрыш в качестве изображения из-за уменьшения астигматизма и кривизны поля. В такой ситуации конструктор зеркальных телескопов скорее всего предпочтет использование систем эквивалентных по диаметру вторичного зеркала, системам эквивалентным по габаритам, несмотря на их несколько большую длину. Однако, как следует из таблицы, такие системы тоже достаточно сложно изготовить по причине значительной асферичности зеркал: для системы Кассегрена это имеет отношение к главному зеркалу, а для системы Ричи-Кретьена - к обоим зеркалам. Следует помнить о том, что асферичность 10 мкм является тем пределом, за которым исключительно сложно получить точную фигуру поверхности методом ретуши на полировальнике одного размера с зеркалом и необходимо, следовательно, применять зональную ретушь со всеми вытекающими отсюда последствиями для точности фигуры зеркала. Следует также учитывать и то, что вынос плоскости фокусировки за главное зеркало - 194 мм для такой системы является скорее малым, а увеличение этого выноса привело бы к еще большей асферичности зеркал. Поэтому на практике сделать зеркальную систему Кассегрена и, тем более, Ричи-Кретьена с относительным отверстием 1:6 задача очень тяжелая. В то же время, предложенная мною система может быть достаточно легко изготовлена и настроена даже при таком высоком относительном отверстии, при этом она будет еще иметь более широкие допуски на децентрировку, нежели эквивалентная зеркальная система (в 1.4 раза шире, чем эквивалентная по диаметру вторичного зеркала система Ричи-Кретьена и в 2.2 раза шире той же системы, эквивалентной по габаритам), что объясняется отсутствием в ней асферических поверхностей.

Исследуем и сопоставим качество изображения в системах, представленных в таблице. В связи с вышесказанным, ограничимся исследованием зеркальных вариантов 1 и 2 эквивалентных по диаметру вторичного зеркала. Нас будет интересовать только вид дифракционного изображения точечного источника света (звезды), что, как известно всем, является наиболее строгим критерием качества изображения телескопа. Во всех сравниваемых системах корректор или вторичное зеркало экранируют одинаковое количество света (12% площади действующего отверстия) и это учитывается. Расчет полихроматической функции рассеяния точки (ФРТ) производился в интервале от 490 до 660 нм для относительной видимости дневного зрения среднего глаза. Для предлагаемой мною системы и для системы Ричи-Кретьена, где кома исправлена, учитывая аккомодацию глаза, ФРТ вычислялась на поверхности, соответствующей кривизне поля системы. Для каждой системы был оценен предельный размер поля зрения, при котором дифракционное изображение точки практически неотличимо от идеального. Предельные размеры поля зрения систем с диаметром действующего отверстия 500 мм (1:6) оказались следующими: для системы Ричи-Кретьена - 13.5', для моей системы - 7.2', для системы Кассегрена - 2'. На рис.5 приведены трехмерные графики ФРТ для всех исследуемых систем и для идеального случая системы без аберраций рис.5a. Также приводится график ФРТ системы Кассегрена рис.5г на угловом поле 7.2', равном угловому полю моей системы. Рядом с каждым графиком приведено значение максимальной амплитуды в относительных единицах.

рис.5 Трехмерные графики полихроматической функции рассеяния точки для систем с диаметром действующего отверстия 500 мм (1:6) с центральным экранированием 12% на краю поля зрения: а - идеальная система без аберраций, б - система Ричи-Кретьена на поле 13.5', в - система автора со стеклами корректора СТК10/ТК21 на поле 7.2', г - система Кассегрена на поле 2', д - та же система на поле 7.2'.

Видно, что в эквивалентной системе Кассегрена кома явно и грубо искажает изображение точки. Таким образом, оказалось, что при диаметре 500 мм и относительном отверстии 1:6 поле зрения системы с менисковым корректором шире в 3.6 раза, чем поле зрения эквивалентной ей системы Кассегрена, но в два раза уже, чем в эквивалентной системе Ричи-Кретьена, что в значительной мере объясняется влиянием остаточной комы при таком большом относительном отверстии. При меньшей светосиле системы остаточная кома уменьшается и становится пренебрежимо малой при значении относительного отверстия 1:8, а различие в качестве изображения и размерах угловых полей в системе Ричи-Кретьена и в предлагаемой мною системе телескопа практически исчезает, чего, конечно, нельзя сказать о схеме Кассегрена, в которой размеры углового поля с дифракционным качеством изображения точки всегда будут значительно меньшие, чем в разработанной мною системе телескопа. Более детально этот вопрос будет разобран в следующей работе автора, где планируется сопоставить качество изображения систем в широком диапазоне изменений относительного отверстия и выноса плоскости фокусировки, а также рассмотреть некоторые другие аналоги этой системы: систему Шмидта-Кассегрена и менисковый Кассегрен Д.Д.Максутова.

В данной работе я, на примере своей системы может быть с излишне форсированными параметрами, хотел наглядно показать в чем именно выражается ее преимущество по сравнению с эквивалентными зеркальными системами. В частности, в результате проведенных сопоставлений можно сделать вывод, что при высоких относительных отверстиях моя система значительно лучше по качеству изображения внеосевых точек поля, чем эквивалентная система Кассегрена, так как в последней не исправлена кома, но она уступает примерно вдвое в размере дифракционного поля изображения системе Ричи-Кретьена (с которой уравнивается начиная с относительного отверстия 1:8), значительно лучше которой в отношении чувствительности к децентрировкам и, что самое главное, не имеет асферических поверхностей. Последнее, помимо возможности серийного производства телескопов на основе этой системы, открывает возможность ее реализации в диапазоне довольно высокого относительного отверстия 1:7-1:6, в котором изготовление хорошей системы Ричи-Кретьена (а также Шмидта-Кассегрена и менискового Кассегрена Д.Д.Максутова) представляет определенные проблемы. При этом моя система имеет еще и весьма широкую спектральную область работы, не уже, во всяком случае, 400-770 нм (а на оси значительно более широкую), что вряд ли доступно при таком же относительном отверстии упомянутым выше ее зеркально-линзовым аналогам, хотя она и уступает им, по причине неисправленных полевых аберраций, в размерах фотографического поля зрения.

	Рис.6 Автор в своей обсерватории, оснащенной 300 мм (1:9.6) телескопом.		Рис.7 Ступишин Н. у 300 мм телескопа автора.
	Рис.8 Вид опытного образца 300 мм (1:9.6) телескопа автора со стороны корректора.		Рис.9 Вид 300 мм телескопа со стороны окулярного узла.
	Рис.10 Туманность Ориона (М42). Снимок получен Ю.А. Клевцовым и Н.В. Ступишиным на опытном образце 300 мм телескопа (F=2890 мм), пленка Fuji Superia 400 гиперсенсибилизированная в водороде, выдержка 30 мин.		Рис.11 Шаровое звездное скопление в созвездии Геркулеса (М13). Снимок получен Н.В. Ступишиным на опытном образце 300 мм телескопа (F=2890), пленка KODAK T-MAX P-3200, выдержка 1 час. В левой части снимка отчетливо видна галактика NGC6207 с ярким центральным ядром.
	Рис.12 Опытный образец 300 мм телескопа (1:9.6) с менисковым корректором, принадлежащий обсерватории краевого Дворца пионеров г.Красноярска.		рис.13 Опытный образец серийного 200 мм телескопа (1:10), разработанный под руководством автора на Новосибирском приборостроительном заводе.

1. Аргунов П.П."Катадиоптрический телескоп",
   Авторское свидетельство СССР N 158697, Бюллетень изобретений N 22, 1963 г.
2. Richter L.J. "New catadioptric telescope",
   Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., Vol. 288, 1981, p.33-37.
3. Аргунов П.П."Изохроматические системы телескопов со сферической оптикой",
   Астрономический вестник, т.6, N 1, 1972, с. 52-61.
4. Попов Г.М. "Зеркально-линзовые изохроматические системы кассегреновского типа",
   Изв. Крымск. астрофиз. обсерв., т.36, 1967, с. 273-280.
5. Клевцов Ю.А."Катадиоптрический телескоп",
   Авторское свидетельство СССР N 605189, Бюллетень изобретений N 16, 1978 г.
6. Попов Г.М."Современная астрономическая оптика",
   М.: Наука, 1988 г., с.162.
7. Михельсон Н.Н. "Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета",
   М.: Издательская фирма "Физико-математическая литература", 1995 г., с. 368-373.
8. Клевцов Ю.А."Зеркально-линзовый объектив телескопа",
   Авторское свидетельство СССР N 1191862, Бюллетень изобретений N 42, 1985 г.
9. Клевцов Ю.А. "Катадиоптрический телескоп",
   Патент РФ N 2125285, приоритет от 19.03.1996 г., Бюллетень изобретений N 2, 1999 г.
10. Клевцов Ю.А."Новые оптические системы для серийных малогабаритных телескопов",
    Оптический журнал, N 2, 2000 г.
11. Клевцов Ю.А. "Новый серийный телескоп для любителей астрономии",
    Звездочет, N 10, 1999 г., с. 32-34.
12. Клевцов Ю.А."Телескоп новой системы",
    Земля и вселенная, N 5, 1991 г., с. 92-94.
13. Клевцов Ю.А., Ступишин Н.В. "Туманность Ориона (М42)", Звездочет, N 3, 2000 г., с. 27.