Progettazione ottica APQ
Riteniamo che i più recenti sensori CMOS richiedano progetti ottici innovativi in grado di soddisfare requisiti di qualità d'immagine sempre più elevati.
Anche gli osservatori visuali beneficiano dei nuovi Fluorite Quadruplet Polychromat: a differenza della maggior parte degli apocromatici, il loro rapporto di Strehl non diminuisce verso o al di sotto del limite di diffrazione ai bordi dello spettro visibile.
Il progetto ottico dei nostri nuovi obiettivi astronomici è presentato dettagliatamente di seguito. È stato sviluppato da Uwe Laux, Dipl.-Ing. (FH) in Ottica Tecnica (per i dettagli, vedere Laux, Uwe: Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. 3ª edizione riveduta e ampliata, 2017, pp. 146-155 e la relativa domanda di brevetto).
- Obiettivi
- Quadrupletto
- Strehl
- Blocco
- Professionale
- Accoppiamento in olio
- Rivestimento AR
- 150/1200
- Progetti
Durante lo sviluppo di una nuova generazione di obiettivi astronomici, è apparso subito evidente che il classico design apocromatico a tripletto può sfruttare soltanto una parte dell'intero intervallo spettrale UBVRI (365 nm – 1014 nm) dei moderni sensori elettronici (CCD, CMOS).
Il nostro obiettivo per la nuova generazione era quindi sviluppare un progetto capace di produrre immagini sostanzialmente prive di aberrazioni in questo ampio intervallo spettrale. Per raggiungerlo devono essere soddisfatte diverse condizioni.
Continua a leggereIn un moderno apocromatico a tripletto, l'errore gaussiano (sferocromatismo), particolarmente problematico, non può essere corretto completamente.
Solo quando è soddisfatta la condizione del seno o isoplanatica un sistema ottico può formare un'immagine corretta dalle aberrazioni. Un tale obiettivo viene definito aplanatico.
La qualità d'immagine policromatica non viene alterata artificialmente né resa apparentemente più favorevole mediante il calcolo, poiché ciò non migliorerebbe la correzione ottica stessa. Il sistema ottico viene invece ottimizzato da 365 nm a 1014 nm utilizzando una tabella delle lunghezze d'onda con fattore di ponderazione uniforme pari a 1 per ogni lunghezza d'onda.
Il risultato è un sistema base policromatico a quattro elementi in cui l'elemento CaF₂ è protetto tra due elementi realizzati in vetri ottici speciali.
La configurazione a quattro elementi dell'obiettivo policromatico è particolarmente adatta ai rifrattori di maggiori dimensioni con aperture di circa 130 mm e superiori. Consente una correzione particolarmente efficace dell'aberrazione cromatica longitudinale e dello sferocromatismo.
Continua a leggereL'aberrazione cromatica longitudinale mostra il comportamento caratteristico della correzione policromatica: la curva attraversa il piano immagine medio a più di tre lunghezze d'onda.
Questo progetto ottico raggiunge pienamente il nostro obiettivo di una qualità d'immagine limitata dalla diffrazione, espressa come rapporto di Strehl ≥ 0,9 nell'intervallo spettrale da 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
Per il nuovo sistema e progetto ottico è stata depositata presso l'Ufficio tedesco brevetti e marchi (DPMA) una domanda di brevetto dal titolo Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs, numero di pratica 10 2016 123 732.9.
Per l'osservazione visuale e l'imaging CCD, il progetto offre una formazione dell'immagine pressoché priva di aberrazioni. Le immagini sono luminose e praticamente prive di aberrazione cromatica, astigmatismo, coma, aberrazione sferica ed errore gaussiano, consentendo alla risoluzione di avvicinarsi al limite teorico.
In particolare nell'osservazione planetaria più esigente, la qualità d'immagine brillante, dettagliata e ad alto contrasto supporta ingrandimenti molto elevati e rende evidente il vantaggio ottico rispetto ai sistemi apocromatici convenzionali.
A differenza della maggior parte degli apocromatici, il rapporto di Strehl non diminuisce verso o al di sotto del limite di diffrazione ai bordi dello spettro visibile, come mostra la seguente normalizzazione all'intervallo spettrale da 436 nm a 707 nm:
L'eccezionale qualità d'immagine del Polychromat a quattro elementi come sistema base consente di combinarlo con correttori di campo e sistemi che modificano la lunghezza focale, quali sistemi Barlow e correttori riduttori di focale.
L'intervallo di lunghezze d'onda utilizzabile va da 365 nm a 1014 nm ed è quindi fino a tre volte più ampio del limitato intervallo spettrale visibile dei classici obiettivi apocromatici a doppietto e tripletto (tipicamente rispettivamente 436 nm – 656 nm e 480 nm – 707 nm).
Ciò consente agli utenti di accedere, sia nell'UV sia nell'IR, a porzioni aggiuntive significative dell'intero intervallo spettrale UBVRI utilizzabile dei moderni sensori CCD e CMOS con grandi diagonali d'immagine, elevato numero di pixel e alta efficienza quantica.
In particolare, l'intervallo di lunghezze d'onda utilizzabile del nuovo Fluorite Quadruplet Polychromat coincide strettamente con l'intervallo di sensibilità spettrale dei moderni sensori CCD e CMOS.
Ciò apre nuovi campi di ricerca e osservazione rendendo accessibili strutture nell'UV e nell'IR non visibili nel tradizionale intervallo spettrale visibile.
Gli obiettivi apocromatici a doppietto e tripletto in fluorofosfato e CaF₂ richiedono generalmente filtri di blocco UV/IR per sopprimere le componenti spettrali al di fuori dell'intervallo visibile per il quale sono ottimizzati.
Poiché questi apocromatici sono progettati per l'intervallo spettrale visibile, per ottenere un'immagine sufficientemente nitida è generalmente necessario filtrare le componenti spettrali al di fuori di tale intervallo.
Continua a leggereAl contrario, con i Fluorite Quadruplet Polychromat tali filtri di blocco UV/IR non solo sono superflui, ma possono essere controproducenti perché eliminano informazioni spettrali dell'oggetto osservato.
Partendo dal progetto base a quattro elementi, è possibile derivare Polychromat con rapporti focali da f/1 a f/8 aggiungendo elementi, sostituendo i mezzi di accoppiamento fluidi otticamente trasparenti con spazi d'aria, utilizzando superfici asferiche vetro-aria oppure sostituendo i vetri ottici convenzionali con materiali cristallini e altri mezzi ottici speciali.
Continua a leggereLe applicazioni di questi Polychromat speciali comprendono astrografi e altri sistemi con intervalli spettrali utilizzabili da 320 nm a 2500 nm, come spettrografi echelle specializzati, sistemi riduttori di focale e sistemi di ripresa per la moderna astronomia professionale.
Il montaggio accoppiato in olio, che impiega un fluido otticamente trasparente tra gli elementi della lente, offre diversi vantaggi rispetto alla costruzione convenzionale con spazi d'aria:
L'olio di accoppiamento impedisce tensioni indotte termicamente tra gli elementi di lente adiacenti.
Il film d'olio impedisce l'inclinazione relativa delle superfici che può verificarsi in presenza di uno spazio d'aria.
Continua a leggereUn minor numero di superfici vetro-aria riduce la luce parassita e aumenta la trasmissione del sistema ottico.
Il sistema ottico si adatta più rapidamente alla temperatura ambiente, migliorando il comportamento termico.
I rivestimenti antiriflesso (AR) convenzionali non corrispondono pienamente alle ampie prestazioni spettrali degli obiettivi policromatici, poiché sono generalmente ottimizzati soltanto per l'intervallo spettrale visibile.
Abbiamo pertanto commissionato lo sviluppo di un nuovo rivestimento AR a banda ultralarga per i Fluorite Quadruplet Polychromat, caratterizzato da una riflettività residua media estremamente bassa RAVG inferiore allo 0,7 % nell'intero intervallo spettrale da 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
Nella versione con asfera e senza spazi d'aria, il Polychromat a quattro elementi presenta soltanto due superfici esterne vetro-aria. Insieme al rivestimento AR a banda ultralarga, ciò riduce le riflessioni residue al minimo fisico.
Continua a leggereLa combinazione del CaF₂, con la sua elevata trasmissione dall'UV all'IR, e della costruzione accoppiata in olio senza spazi d'aria aumenta ulteriormente la trasmissione del sistema e riduce al minimo le riflessioni.
La tecnologia di rivestimento AR attualmente disponibile limita l'intervallo spettrale utilizzabile in pratica a 365 nm – 1014 nm.
Per applicazioni specializzate possono essere offerti come opzione rivestimenti AR speciali per UV o IR.
Un Fluorite Quadruplet Polychromat può essere realizzato in diverse configurazioni. Le singole possibilità di implementazione non possono essere illustrate qui in dettaglio; si rimanda pertanto alla relativa domanda di brevetto.
La variante di progetto qui presentata, un sistema completamente accoppiato in olio APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con asfera, apertura libera di 150 mm e lunghezza focale di 1200 mm corrisponde alla configurazione dei primi prototipi realizzati.
La curva di Strehl dipendente dalla lunghezza d'onda mostra che un rapporto di Strehl ≥ 0,9 si estende oltre l'intervallo spettrale da 365 nm (UV) a 1014 nm (IR).
Dimostra inoltre un'eccellente correzione policromatica dall'ultravioletto all'infrarosso, con prestazioni limitate dalla diffrazione da 365 nm ad almeno 1365 nm.
L'intervallo di lunghezze d'onda teoricamente utilizzabile di questo obiettivo policromatico a quattro elementi supera 1000 nm ed è quindi da tre a quattro volte più ampio rispetto agli apocromatici convenzionali a doppietto e tripletto.
In pratica, la tecnologia di rivestimento AR attualmente disponibile limita l'intervallo spettrale utilizzabile a 365 nm – 1014 nm.
Continua a leggereNell'intervallo di lunghezze d'onda da 365 nm a 1365 nm, il APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con asfera presenta un rapporto di Strehl policromatico di 0,988 e un intervallo massimo di spostamento focale di ±0,007 %:
Da 365 nm a 1014 nm, il rapporto di Strehl policromatico è 0,988 e l'intervallo massimo di spostamento focale è ±0,003 %.
Con la produzione dei primi due prototipi del APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat con asfera, apertura di 150 mm e lunghezza focale di 1200 mm, ci siamo posti un obiettivo molto ambizioso.
L'architettura a quattro elementi – con o senza asfera, completamente accoppiata in olio o con spazi d'aria e con rapporti focali da f/5,6 (f/3,9 con correttore riduttore di focale 0,7×) a f/15 (come obiettivo sostitutivo per il rifrattore Coudé AS 150/2250) – offre un'ampia flessibilità progettuale per applicazioni visuali e fotografiche.
Dopo aver fornito una prova pratica di fattibilità con i primi prototipi del APQ 150/1200 Fluorite Quadruplet Polychromat, continueremo ad ampliare il nostro portafoglio.
Ciò comprende sia aperture più piccole sia, in particolare, aperture maggiori, con opzioni di rapporto focale e rivestimento AR laddove tecnicamente realizzabili.
La tabella seguente presenta diverse possibili configurazioni Fluorite Quadruplet Polychromat che raggiungono un rapporto di Strehl policromatico > 0,95 nell'intervallo spettrale da 365 nm a 1014 nm con diversi rapporti focali.
(mm)
(mm)
(%)
1D…Apertura
2f…Lunghezza focale
3D/f…Rapporto focale
4Sp…Rapporto di Strehl policromatico
5LCA…Intervallo massimo di spostamento focale