Diseño óptico APQ
Consideramos que los sensores CMOS más recientes requieren diseños ópticos innovadores capaces de satisfacer exigencias cada vez mayores de calidad de imagen.
Los observadores visuales también se benefician de los nuevos Fluorite Quadruplet Polychromats: a diferencia de la mayoría de los apocromáticos, su relación de Strehl no desciende hacia o por debajo del límite de difracción en los extremos del espectro visible.
El diseño óptico de nuestros nuevos objetivos astronómicos se presenta detalladamente a continuación. Fue desarrollado por Uwe Laux, Dipl.-Ing. (FH) en Óptica Técnica (para más detalles, véase Laux, Uwe: Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. 3.ª edición revisada y ampliada, 2017, pp. 146-155 y la solicitud de patente relacionada).
- Objetivos
- Quadruplet
- Strehl
- Bloqueo
- Profesional
- Acoplamiento por aceite
- Recubrimiento AR
- 150/1200
- Diseños
Durante el desarrollo de una nueva generación de objetivos astronómicos, pronto quedó claro que el clásico diseño apocromático triplete solo puede aprovechar una parte del rango espectral UBVRI completo (365 nm – 1014 nm) de los sensores electrónicos modernos (CCD, CMOS).
Por ello, nuestro objetivo para la nueva generación era desarrollar un diseño capaz de ofrecer imágenes prácticamente libres de aberraciones en este amplio rango espectral. Para lograrlo deben cumplirse varias condiciones.
Seguir leyendoEn un apocromático triplete de última generación, el especialmente problemático error de Gauss (esferocromatismo) no puede corregirse por completo.
Solo cuando se cumple la condición del seno o condición isoplanática puede un sistema óptico formar una imagen corregida de aberraciones. Un objetivo de este tipo se denomina objetivo aplanático.
La calidad de imagen policromática no se altera artificialmente ni se hace parecer más favorable mediante cálculos, porque eso no mejoraría la corrección óptica en sí. En su lugar, el sistema óptico se optimiza de 365 nm a 1014 nm utilizando una tabla de longitudes de onda con un factor de ponderación igual a 1 para cada longitud de onda.
El resultado es un sistema base policromático de cuatro elementos en el que el elemento de CaF₂ está protegido entre dos elementos fabricados con vidrios ópticos especiales.
La configuración de cuatro elementos del objetivo policromático es especialmente adecuada para refractores de mayor tamaño, con aperturas de aproximadamente 130 mm o más. Permite una corrección particularmente eficaz de la aberración cromática longitudinal y del esferocromatismo.
Seguir leyendoLa aberración cromática longitudinal muestra el comportamiento característico de la corrección policromática: la curva cruza el plano medio de imagen en más de tres longitudes de onda.
Este diseño óptico cumple plenamente nuestro objetivo de calidad de imagen limitada por difracción, expresada como una relación de Strehl ≥ 0,9 en el rango espectral de 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
Se presentó ante la Oficina Alemana de Patentes y Marcas (DPMA) una solicitud de patente para el nuevo sistema y diseño ópticos con el título Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs, expediente n.º 10 2016 123 732.9.
Para observación visual e imagen CCD, el diseño proporciona imágenes casi libres de aberraciones. Las imágenes son luminosas y prácticamente libres de aberración cromática, astigmatismo, coma, aberración esférica y error de Gauss, permitiendo que la resolución se aproxime al límite teórico.
En particular para la observación planetaria exigente, la calidad de imagen brillante, detallada y de alto contraste admite aumentos muy elevados y hace evidente la ventaja óptica frente a sistemas apocromáticos convencionales.
A diferencia de la mayoría de los apocromáticos, la relación de Strehl no desciende hacia o por debajo del límite de difracción en los extremos del espectro visible, como ilustra la siguiente normalización al rango espectral de 436 nm a 707 nm:
La excepcional calidad de imagen del Polychromat de cuatro elementos como sistema base permite combinarlo con correctores de campo y sistemas que modifican la distancia focal, como sistemas Barlow y correctores reductores focales.
El rango de longitudes de onda utilizable se extiende de 365 nm a 1014 nm y, por tanto, es hasta tres veces más amplio que el rango espectral visual limitado de los objetivos apocromáticos clásicos de doblete y triplete (normalmente 436 nm – 656 nm y 480 nm – 707 nm, respectivamente).
Esto proporciona a los usuarios acceso, tanto en UV como en IR, a porciones adicionales importantes del rango espectral UBVRI utilizable de los sensores CCD y CMOS modernos con grandes diagonales de imagen, elevado número de píxeles y alta eficiencia cuántica.
Cabe destacar que el rango de longitudes de onda utilizable del nuevo Fluorite Quadruplet Polychromat coincide estrechamente con el rango de sensibilidad espectral de los sensores CCD y CMOS modernos.
Esto abre nuevos campos de investigación y observación al hacer accesibles estructuras en UV e IR que no son visibles en el rango espectral visual convencional.
Los objetivos apocromáticos de doblete y triplete de fluorofosfato y CaF₂ generalmente requieren filtros de bloqueo UV/IR para suprimir componentes espectrales fuera de su rango visual optimizado.
Dado que estos apocromáticos están diseñados para el rango espectral visual, los componentes espectrales situados fuera de dicho rango suelen tener que filtrarse para obtener una imagen suficientemente nítida.
Seguir leyendoPor el contrario, con los Fluorite Quadruplet Polychromats estos filtros de bloqueo UV/IR no solo son innecesarios, sino que pueden ser contraproducentes, ya que eliminan información espectral del objeto observado.
A partir del diseño base de cuatro elementos pueden derivarse Polychromats con relaciones focales de f/1 a f/8 añadiendo elementos, sustituyendo los medios fluidos de acoplamiento ópticamente transparentes por espacios de aire, utilizando superficies asféricas vidrio-aire o sustituyendo vidrios ópticos convencionales por medios cristalinos y otros medios ópticos especiales.
Seguir leyendoEntre las aplicaciones de estos Polychromats especiales se incluyen astrógrafos y otros sistemas con rangos espectrales utilizables de 320 nm a 2500 nm, como espectrógrafos echelle especializados, sistemas reductores focales y sistemas de cámara para la astronomía profesional moderna.
El ensamblaje acoplado por aceite, que utiliza un medio fluido ópticamente transparente entre los elementos de lente, ofrece varias ventajas frente a una construcción convencional con espacios de aire:
El aceite de acoplamiento evita tensiones inducidas térmicamente entre elementos de lente adyacentes.
La película de aceite evita la inclinación relativa de superficies del tipo que puede producirse con un espacio de aire.
Seguir leyendoUn menor número de superficies vidrio-aire reduce la luz parásita y aumenta la transmisión del sistema óptico.
El sistema óptico se adapta más rápidamente a la temperatura ambiente, mejorando su comportamiento térmico.
Los recubrimientos antirreflectantes (AR) convencionales no se corresponden plenamente con el amplio rendimiento espectral de los objetivos policromáticos, ya que generalmente están optimizados solo para el rango espectral visual.
Por ello encargamos el desarrollo de un nuevo recubrimiento AR de banda ultraancha para los Fluorite Quadruplet Polychromats, caracterizado por una reflectividad residual media R extremadamente bajaAVG de < 0,7 % en todo el rango espectral de 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
En la versión con una asfera y sin espacios de aire, el Polychromat de cuatro elementos solo tiene dos superficies externas vidrio-aire. Junto con el recubrimiento AR de banda ultraancha, esto reduce las reflexiones residuales al mínimo físico.
Seguir leyendoLa combinación de CaF₂, con su alta transmisión desde UV hasta IR, y una construcción acoplada por aceite sin espacios de aire aumenta aún más la transmisión del sistema y minimiza las reflexiones.
La tecnología de recubrimiento AR disponible actualmente limita el rango espectral utilizable en la práctica a 365 nm – 1014 nm.
Para aplicaciones especializadas pueden ofrecerse opcionalmente recubrimientos AR especiales para UV o IR.
Un Fluorite Quadruplet Polychromat puede realizarse en diferentes configuraciones. Las distintas opciones de implementación no pueden tratarse aquí en detalle; por ello se remite a la solicitud de patente correspondiente.
La variante de diseño presentada aquí, totalmente acoplada por aceite APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con una asfera, 150 mm de apertura libre y 1200 mm de distancia focal, corresponde a la configuración de los primeros prototipos fabricados.
La curva de Strehl dependiente de la longitud de onda muestra que una relación de Strehl ≥ 0,9 se extiende más allá del rango espectral de 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
También demuestra una muy buena corrección policromática desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, con rendimiento limitado por difracción de 365 nm hasta al menos 1365 nm.
El rango de longitudes de onda teóricamente utilizable de este objetivo policromático de cuatro elementos supera los 1000 nm y, por tanto, es de tres a cuatro veces más amplio que el de los apocromáticos convencionales de doblete y triplete.
En la práctica, la tecnología de recubrimiento AR disponible actualmente limita el rango espectral utilizable a 365 nm – 1014 nm.
Seguir leyendoEn el rango de longitudes de onda de 365 nm a 1365 nm, el APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con una asfera presenta una relación de Strehl policromática de 0,988 y un rango máximo de desplazamiento focal de ±0,007 %:
De 365 nm a 1014 nm, la relación de Strehl policromática es de 0,988 y el rango máximo de desplazamiento focal es de ±0,003 %.
Con la fabricación de los dos primeros prototipos del sistema acoplado por aceite APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con una asfera, 150 mm de apertura y 1200 mm de distancia focal, nos fijamos un objetivo muy exigente.
La arquitectura de cuatro elementos —con o sin asfera, totalmente acoplada por aceite o con espacios de aire, y con relaciones focales desde f/5,6 (f/3,9 con un Focal Reducer Corrector 0,7×) hasta f/15 (como objetivo de sustitución para el refractor Coudé AS 150/2250)— proporciona una amplia flexibilidad de diseño para aplicaciones visuales y fotográficas.
Tras aportar con los primeros prototipos una prueba práctica de viabilidad del APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat, seguiremos ampliando nuestra gama.
Esto incluye aperturas más pequeñas y, en particular, mayores, con opciones de relación focal y recubrimiento AR cuando sean técnicamente viables.
La siguiente tabla presenta varias configuraciones posibles de Fluorite Quadruplet Polychromat que alcanzan una relación de Strehl policromática > 0,95 en el rango espectral de 365 nm a 1014 nm para diferentes relaciones focales.
(mm)
(mm)
(%)
1 D…Apertura
2 f…Distancia focal
3 D/f…Relación focal
4 Sp…Relación de Strehl policromática
5 LCA…Rango máximo de desplazamiento focal