APQ ऑप्टिकल डिज़ाइन
हम मानते हैं कि नवीनतम CMOS सेंसरों के लिए ऐसे अभिनव ऑप्टिकल डिज़ाइन आवश्यक हैं जो लगातार बढ़ती इमेज-गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा कर सकें।
दृश्य पर्यवेक्षक भी नए विकसित Fluorite Quadruplet Polychromats से लाभान्वित होते हैं: अधिकांश अपोक्रोमैट्स के विपरीत, दृश्य स्पेक्ट्रम के किनारों पर उनका स्ट्रेहल अनुपात विवर्तन सीमा की ओर या उससे नीचे नहीं गिरता।
हमारे नए खगोलीय ऑब्जेक्टिव्स का ऑप्टिकल डिज़ाइन नीचे विस्तार से प्रस्तुत किया गया है। इसे तकनीकी ऑप्टिक्स के Dipl.-Ing. (FH) Uwe Laux ने विकसित किया (विवरण के लिए देखें Laux, Uwe: Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. तीसरा संशोधित और विस्तारित संस्करण, 2017, पृ. 146-155 और संबंधित पेटेंट आवेदन)।
- उद्देश्य
- Quadruplet
- Strehl
- Blocking
- Professional
- ऑयल स्पेसिंग
- AR कोटिंग
- 150/1200
- डिज़ाइन्स
खगोलीय ऑब्जेक्टिव्स की नई पीढ़ी के विकास के दौरान जल्दी ही स्पष्ट हो गया कि पारंपरिक अपोक्रोमैटिक ट्रिप्लेट डिज़ाइन आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों (CCD, CMOS) की पूरी UBVRI स्पेक्ट्रल रेंज (365 nm – 1014 nm) का केवल एक भाग ही उपयोग कर सकता है।
नई पीढ़ी के लिए हमारा उद्देश्य ऐसा डिज़ाइन विकसित करना था जो इस व्यापक स्पेक्ट्रल रेंज में लगभग एबर्रेशन-रहित इमेजिंग कर सके। इसे प्राप्त करने के लिए कई शर्तें पूरी होनी चाहिए।
आगे पढ़ेंअत्याधुनिक ट्रिप्लेट अपोक्रोमैट में विशेष रूप से समस्याग्रस्त Gaussian error (स्फेरोक्रोमैटिज़्म) को पूरी तरह करेक्ट नहीं किया जा सकता।
केवल जब sine या isoplanatic condition पूरी होती है, तभी ऑप्टिकल सिस्टम एबर्रेशन-करेक्टेड इमेज बना सकता है। ऐसे ऑब्जेक्टिव को aplanatic objective कहा जाता है।
पॉलीक्रोमैटिक इमेज गुणवत्ता को गणना द्वारा कृत्रिम रूप से बदला या अधिक अनुकूल नहीं दिखाया जाता, क्योंकि इससे वास्तविक ऑप्टिकल करेक्शन में सुधार नहीं होगा। इसके बजाय 365 nm से 1014 nm तक ऑप्टिकल सिस्टम को ऐसी तरंगदैर्घ्य तालिका से अनुकूलित किया जाता है जिसमें प्रत्येक तरंगदैर्घ्य का समान भारांक 1 है।
परिणाम चार-तत्व पॉलीक्रोमैटिक बेस सिस्टम है जिसमें CaF₂ तत्व विशेष ऑप्टिकल ग्लासों से बने दो तत्वों के बीच सुरक्षित रहता है।
पॉलीक्रोमैटिक ऑब्जेक्टिव की चार-तत्व संरचना लगभग 130 mm और उससे बड़े एपर्चर वाले बड़े रिफ्रैक्टर्स के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। यह लॉन्गिट्यूडिनल क्रोमैटिक एबर्रेशन और स्फेरोक्रोमैटिज़्म का विशेष रूप से प्रभावी करेक्शन संभव करती है।
आगे पढ़ेंलॉन्गिट्यूडिनल क्रोमैटिक एबर्रेशन पॉलीक्रोमैटिक करेक्शन का विशिष्ट व्यवहार दिखाता है: वक्र तीन से अधिक तरंगदैर्घ्यों पर औसत इमेज प्लेन को पार करता है।
यह ऑप्टिकल डिज़ाइन 365 nm (UV) से 1014 nm (IR) तक की स्पेक्ट्रल रेंज में स्ट्रेहल अनुपात ≥ 0.9 के रूप में व्यक्त हमारे विवर्तन-सीमित इमेज गुणवत्ता के उद्देश्य को पूरी तरह प्राप्त करता है।
नए ऑप्टिकल सिस्टम और डिज़ाइन के लिए German Patent और Trademark Office (DPMA) में Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs शीर्षक से पेटेंट आवेदन दाखिल किया गया, फ़ाइल संख्या 10 2016 123 732.9।
दृश्य अवलोकन और CCD इमेजिंग के लिए डिज़ाइन लगभग एबर्रेशन-रहित इमेजिंग प्रदान करता है। इमेज उज्ज्वल और क्रोमैटिक एबर्रेशन, एस्टिग्मैटिज़्म, कोमा, स्फेरिकल एबर्रेशन तथा Gaussian error से लगभग मुक्त होती हैं, जिससे रिज़ॉल्यूशन सैद्धांतिक सीमा के निकट पहुँच सकता है।
विशेष रूप से मांगपूर्ण ग्रह अवलोकन के लिए शानदार, विस्तृत और उच्च-कॉन्ट्रास्ट इमेज गुणवत्ता बहुत उच्च आवर्धन का समर्थन करती है और पारंपरिक अपोक्रोमैटिक सिस्टमों पर ऑप्टिकल लाभ को स्पष्ट करती है।
अधिकांश अपोक्रोमैट्स के विपरीत, दृश्य स्पेक्ट्रम के किनारों पर स्ट्रेहल अनुपात विवर्तन सीमा की ओर या उससे नीचे नहीं गिरता, जैसा कि 436 nm से 707 nm स्पेक्ट्रल रेंज पर निम्न सामान्यीकरण दर्शाता है:
बेस सिस्टम के रूप में चार-तत्व Polychromat की असाधारण इमेज गुणवत्ता इसे फील्ड करेक्टर्स और Barlow सिस्टमों तथा फोकल रिड्यूसर करेक्टरs जैसे फोकल-लंबाई बदलने वाले सिस्टमों के साथ संयोजित करने योग्य बनाती है।
उपयोगी तरंगदैर्घ्य सीमा 365 nm से 1014 nm तक है और इस प्रकार पारंपरिक अपोक्रोमैटिक डबल्ट तथा ट्रिप्लेट ऑब्जेक्टिव्स की सीमित दृश्य स्पेक्ट्रल रेंज (आमतौर पर क्रमशः 436 nm – 656 nm और 480 nm – 707 nm) से तीन गुना तक व्यापक है।
इससे उपयोगकर्ताओं को UV और IR दोनों में आधुनिक CCD और CMOS सेंसरों की उपयोगी UBVRI स्पेक्ट्रल रेंज के पर्याप्त अतिरिक्त भाग उपलब्ध होते हैं, जिनमें बड़े इमेज डायगोनल, उच्च पिक्सेल संख्या और उच्च क्वांटम दक्षता होती है।
विशेष रूप से, नए Fluorite Quadruplet Polychromat की उपयोगी तरंगदैर्घ्य सीमा आधुनिक CCD और CMOS सेंसरों की स्पेक्ट्रल संवेदनशीलता सीमा से निकटता से मेल खाती है।
यह UV और IR में ऐसी संरचनाओं को उपलब्ध कराकर अनुसंधान और अवलोकन के नए क्षेत्र खोलता है जो पारंपरिक दृश्य स्पेक्ट्रल रेंज में दिखाई नहीं देतीं।
अपोक्रोमैटिक फ्लोरोफॉस्फेट और CaF₂ डबल्ट तथा ट्रिप्लेट ऑब्जेक्टिव्स को सामान्यतः अपनी अनुकूलित दृश्य रेंज से बाहर के स्पेक्ट्रल अवयव दबाने के लिए UV/IR ब्लॉकिंग फ़िल्टर की आवश्यकता होती है।
क्योंकि ये अपोक्रोमैट्स दृश्य स्पेक्ट्रल रेंज के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, पर्याप्त तीक्ष्ण इमेज प्राप्त करने के लिए इस रेंज से बाहर के स्पेक्ट्रल अवयवों को सामान्यतः फ़िल्टर करना पड़ता है।
आगे पढ़ेंइसके विपरीत Fluorite Quadruplet Polychromats के साथ ऐसे UV/IR ब्लॉकिंग फ़िल्टर न केवल अनावश्यक बल्कि प्रतिकूल भी हो सकते हैं, क्योंकि वे देखी गई वस्तु से स्पेक्ट्रल जानकारी हटा देते हैं।
चार-तत्व बेस डिज़ाइन से f/1 से f/8 तक फोकल अनुपात वाले Polychromats अतिरिक्त तत्व जोड़कर, द्रव ऑप्टिकली पारदर्शी कपलिंग माध्यम को एयर स्पेस से बदलकर, एस्फेरिक ग्लास-टू-एयर सतहों का उपयोग करके, या पारंपरिक ऑप्टिकल ग्लासों के स्थान पर क्रिस्टलीय और अन्य विशेष ऑप्टिकल माध्यम का उपयोग करके विकसित किए जा सकते हैं।
आगे पढ़ेंइन विशेष Polychromats के अनुप्रयोगों में 320 nm से 2500 nm तक उपयोगी स्पेक्ट्रल रेंज वाले एस्ट्रोग्राफ और अन्य सिस्टम शामिल हैं, जैसे विशेष echelle spectrographs, फोकल-रिड्यूसर सिस्टम और आधुनिक प्रोफेशनल खगोल विज्ञान के कैमरा सिस्टम।
लेंस तत्वों के बीच द्रव ऑप्टिकली पारदर्शी माध्यम का उपयोग करने वाली ऑयल-कपल्ड असेंबली पारंपरिक एयर-स्पेस्ड निर्माण की तुलना में कई लाभ देती है:
कपलिंग ऑयल आसन्न लेंस तत्वों के बीच ताप से उत्पन्न तनाव रोकता है।
ऑयल फ़िल्म उस प्रकार के सापेक्ष सतह झुकाव को रोकती है जो एयर स्पेस में हो सकता है।
आगे पढ़ेंकम ग्लास-टू-एयर सतहें स्ट्रे लाइट घटाती हैं और ऑप्टिकल सिस्टम का ट्रांसमिशन बढ़ाती हैं।
ऑप्टिकल सिस्टम परिवेश तापमान के अनुकूल अधिक शीघ्र होता है, जिससे उसका तापीय व्यवहार सुधरता है।
पारंपरिक एंटी-रिफ्लेक्शन (AR) कोटिंग्स पॉलीक्रोमैटिक ऑब्जेक्टिव्स के व्यापक स्पेक्ट्रल प्रदर्शन से पूरी तरह मेल नहीं खातीं क्योंकि वे सामान्यतः केवल दृश्य स्पेक्ट्रल रेंज के लिए अनुकूलित होती हैं।
इसलिए हमने Fluorite Quadruplet Polychromats के लिए नई अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड AR कोटिंग का विकास कराया, जिसकी विशेषता अत्यंत कम औसत अवशिष्ट परावर्तन RAVG < 0.7 % है, पूरी 365 nm (UV) से 1014 nm (IR) स्पेक्ट्रल रेंज में।
एस्फियर और बिना एयर स्पेस वाले संस्करण में चार-तत्व Polychromat में केवल दो बाहरी ग्लास-टू-एयर सतहें होती हैं। अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड AR कोटिंग के साथ यह अवशिष्ट परावर्तन को भौतिक न्यूनतम तक घटाता है।
आगे पढ़ेंUV से IR तक उच्च ट्रांसमिशन वाले CaF₂ और बिना एयर स्पेस के ऑयल-कपल्ड निर्माण का संयोजन सिस्टम ट्रांसमिशन को और बढ़ाता तथा परावर्तन को न्यूनतम करता है।
वर्तमान में उपलब्ध AR-कोटिंग तकनीक व्यावहारिक रूप से उपयोगी स्पेक्ट्रल रेंज को 365 nm से 1014 nm तक सीमित करती है।
विशेष अनुप्रयोगों के लिए विशेष UV या IR AR कोटिंग्स विकल्प के रूप में उपलब्ध कराई जा सकती हैं।
Fluorite Quadruplet Polychromat को विभिन्न कॉन्फ़िगरेशन में साकार किया जा सकता है। अलग-अलग कार्यान्वयन विकल्पों पर यहाँ विस्तार से चर्चा नहीं की जा सकती; इसलिए संबंधित पेटेंट आवेदन का संदर्भ दिया जाता है।
यहाँ प्रस्तुत डिज़ाइन संस्करण, पूरी तरह ऑयल-स्पेस्ड APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat जिसमें एक एस्फियर, 150 mm स्पष्ट एपर्चर और 1200 mm फोकल लंबाई है, निर्मित प्रथम प्रोटोटाइप के कॉन्फ़िगरेशन से मेल खाता है।
तरंगदैर्घ्य-निर्भर स्ट्रेहल वक्र दिखाता है कि स्ट्रेहल अनुपात ≥ 0.9, 365 nm (UV) से 1014 nm (IR) स्पेक्ट्रल रेंज से आगे तक फैला है।
यह अल्ट्रावायलेट से इन्फ्रारेड तक बहुत अच्छा पॉलीक्रोमैटिक करेक्शन भी दर्शाता है, जिसमें 365 nm से कम से कम 1365 nm तक विवर्तन-सीमित प्रदर्शन है।
इस चार-तत्व पॉलीक्रोमैटिक ऑब्जेक्टिव की सैद्धांतिक रूप से उपयोगी तरंगदैर्घ्य सीमा 1000 nm से अधिक है और इसलिए पारंपरिक डबल्ट और ट्रिप्लेट अपोक्रोमैट्स की तुलना में तीन से चार गुना व्यापक है।
व्यवहार में वर्तमान में उपलब्ध AR-कोटिंग तकनीक उपयोगी स्पेक्ट्रल रेंज को 365 nm से 1014 nm तक सीमित करती है।
आगे पढ़ें365 nm से 1365 nm तरंगदैर्घ्य सीमा में APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat एस्फियर वाला संस्करण 0.988 का पॉलीक्रोमैटिक स्ट्रेहल अनुपात और ±0.007 % की अधिकतम फोकल शिफ्ट रेंज प्राप्त करता है:
365 nm से 1014 nm तक पॉलीक्रोमैटिक स्ट्रेहल अनुपात 0.988 है और अधिकतम फोकल-शिफ्ट रेंज ±0.003 % है।
ऑयल-स्पेस्ड APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat के पहले दो प्रोटोटाइप, जिनमें एक एस्फियर, 150 mm एपर्चर और 1200 mm फोकल लंबाई है, के उत्पादन के साथ हमने अपने लिए अत्यंत चुनौतीपूर्ण लक्ष्य निर्धारित किया।
चार-तत्व आर्किटेक्चर – एस्फियर के साथ या बिना, पूरी तरह ऑयल-स्पेस्ड या एयर स्पेस के साथ, और f/5.6 (0.7× फोकल रिड्यूसर करेक्टर के साथ f/3.9) से f/15 (Coudé refractor AS 150/2250 के प्रतिस्थापन ऑब्जेक्टिव के रूप में) तक फोकल अनुपात – दृश्य और फ़ोटोग्राफ़िक अनुप्रयोगों के लिए व्यापक डिज़ाइन लचीलापन प्रदान करता है।
के पहले प्रोटोटाइप से व्यवहारिक व्यवहार्यता का प्रमाण देने के बाद APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromatहम अपने पोर्टफोलियो का विस्तार जारी रखेंगे।
इसमें छोटे और विशेष रूप से बड़े एपर्चर दोनों शामिल हैं, जहाँ तकनीकी रूप से संभव हो वहाँ फोकल अनुपात और AR-कोटिंग विकल्पों सहित।
निम्न तालिका कई संभावित Fluorite Quadruplet Polychromat कॉन्फ़िगरेशन प्रस्तुत करती है जो विभिन्न फोकल अनुपातों में 365 nm से 1014 nm स्पेक्ट्रल रेंज पर पॉलीक्रोमैटिक स्ट्रेहल अनुपात > 0.95 प्राप्त करते हैं।
(mm)
(mm)
(%)
1 D…एपर्चर
2 f…फोकल लंबाई
3 D/f…फोकल अनुपात
4 Sp…पॉलीक्रोमैटिक स्ट्रेहल अनुपात
5 LCA…अधिकतम फोकल शिफ्ट रेंज