Tính toán, thiết kế thử sắ sai ho vật kính ủa kính viễn vọng quang họ

NGUYỄN THÀNH ĐÔNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Thành Đông VẬT LÝ KỸ THUẬT TÍNH TỐN, THIẾT KẾ KHỬ SĂC SAI CHO VẬT KÍNH CỦA KÍNH VIỄN VỌNG QUANG HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2011B Hà Nội – 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131728131000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thành Đơng TÍNH TỐN, THIẾT KẾ KHỬ SĂC SAI CHO VẬT KÍNH CỦA KÍNH VIỄN VỌNG QUANG HỌC Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Lê Hải Hưng TS Nguyễn Thị Phương Mai Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Nội dung luận văn nghiên cứu từ sở lý thuyết thấu kính ghép đơi, sắc sai thấu kính ghép đơi Trong luận văn này, hướng dẫn TS Lê Hải Hưng TS Nguyễn Thị Phương Mai, nghiên cứu mặt lý thuyết, tiến hành thiết kế vật kính ghép đơi tiêu sắc kính viễn vọng chế tạo nhà máy Z23, thuộc Tổng cục kỹ thuật, Bộ Quốc phịng Chúng tơi thiết lập hệ đo tiêu cự thấu kính ray quang học, tiến hành chế tạo hệ đo sắc sai thấu kính, làm thí nghiệm đo sắc sai vật kính gia cơng hệ đo đánh giá kết thu Tôi xin cam đoan nội dung đề tài luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả Nguyễn Thành Đơng LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Hải Hưng TS Nguyễn Thị Phương Mai, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Bộ môn Quang học Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật Bộ môn Cơ khí Chính xác Quang học, Viện Cơ khí, đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu suốt trình thực luận văn Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho suốt thời gian làm việc nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp dành tình cảm, động viên giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận văn Hà nội, ngày 06 tháng 06 năm 2013 Nguyễn Thành Đông DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TTQH Thủy tinh quang học HVKTQS Học viện kỹ thuật quân ĐHBKHN Đại học Bách khoa Hà Nội PTN Phịng thí nghiệm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Hai loại vật liệu thủy tinh .28 Bảng 3.2 Một số loại TTQH .29 Bảng 5.1 Lựa chọn số cặp vật liệu thủy tinh sẵn có nhà máy Z23 .42 Bảng 5.2 Một số cặp vật liệu thủy tinh nhà máy Z23 với k giảm dần .46 Bảng 5.3 Độ sai lệch tiêu cự theo bước sóng ánh sáng 55 Bảng 5.4 Bảng số liệu L, l tính giá trị tiêu cự f theo lần đo 68 Bảng 5.5 Các tiêu cự thiết kế lý thuyết đo bừng thực nghiệm 69 Bảng 5.6 Quan hệ vị trí lưỡi dao độ lệch bóng lưỡi dao theo bước sóng 74 Bảng 5.7 Độ dịch vị trí lưỡi dao theo bước sóng 75 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 0.1 Ảnh ngơi nhà khơng sắc sai (a) sắc sai (b) Hình 1.1 Mơ tả q trình quang học hệ vơ tiêu .8 Hình 1.2 Sơ đồ quang học tổng quát kính viễn vọng Kepler Hình 1.3: Hệ vơ tiêu Galileo .10 Hình 1.4 Trường quan sát hệ Galileo (a) hệ Kepler (b) với hệ số phóng đại góc 11 Hình 1.5: Hệ vô tiêu Kepler 12 Hình 1.6 Hệ vơ tiêu Kepler có vịng chắn 13 Hình 1.7 Ảnh hai điểm sáng A’ B’ 14 Hình 1.8 Giới hạn phân ly 14 Hình 1.9 Năng suất phân ly kính viễn vọng 15 Hình 2.1 Thấu kính hội tụ 18 Hình 2.2 Ký hiệu hai loại thấu kính 18 Hình 2.3 Khơng gian giới hạn thấu kính 19 Hình 2.4 Tiêu hình thấu kính bán cầu .20 Hình 2.5 Cầu sai thấu kính hội tụ 21 Hình 2.6 Coma 23 Hình 2.7 Tiêu hình chùm tia hẹp 23 Hình 2.8 Sự cong thị trường 25 Hình 2.9 Méo ảnh .25 Hình 3.1 Đường cong tán sắc số vật liệu quang học 27 Hình 3.3 Sắc sai thấu kính đơn 32 Hình 4.1 Thấu kính tiêu sắc 34 Hình 4.2 Hệ thấu kính dialyte tiêu sắc .38 Hình 4.3 Sự thay đổi độ tán sắc riêng phần P F-D theo số Abbe ν D 40 Hình 5.1a Góc lệch tia sáng qua lăng kính .43 Hình 5.1.b Góc lệch tia sáng qua lăng kính góc A nhỏ 43 Hình 5.2 Sự truyền tia sáng từ vơ đến thấu kính hội tụ phân kỳ 45 Hình 5.3 Đường cong màu số cặp vật liệu lựa chọn nhà máy Z23 47 Hình 5.4 Vật kính .49 Hình 5.5 Sản phẩm vật kính gia cơng nhà máy Z23 52 Hình 5.6 Đường truyền chùm sáng xanh (a), đỏ (b) vàng (c) qua vật kính 53 Hình 5.7 Coma vật kính 54 Hình 5.8 Cong trường méo ảnh vật kính 54 Hình 5.9 Độ lệch tiêu cự theo bước sóng 57 Hình 5.10 Quang sai dọc 57 Hình 5.11 Biểu đồ đường cong màu cặp vật liệu BF6 – TF1 theo1/ λ2 58 Hình 5.12 Đường cong màu cặp vật liệu BF6 – TF1 theo bước sóng (λ) 58 Hình 5.13 Sơ đồ nguyên lý hệ đo sắc sai thấu kính theo phương pháp Foucault 60 Hình 5.14 Nguyên lý đo lưỡi dao Foucault 60 Hình 5.15 Hệ đo sắc sai đặt phòng tối 61 Hình 5.16 Ảnh thu lưỡi dao cắt phần chùm sáng vùng tiêu điểm 62 Hình 5.17 Phổ truyền qua kính lọc màu xanh (1), màu vàng (2), màu đỏ (3) màu đỏ (4) 64 Hình 5.18 Vị trí vật ảnh đảo ngược đối hệ thấu kính 67 Hình 5.19 Hệ đo tiêu cự thấu kính thực tế .68 Hình 5.20 Ảnh bóng lưỡi dao lưỡi dao quanh vùng tiêu điểm thấu kính 70 Hình 5.21 Bóng lưỡi dao ứng vị trí quanh vùng tiêu điểm thấu kính đơn 70 Hình 5.22a Lưỡi dao cắt chùm sáng vùng tiêu điểm thấu kính .71 Hình 5.22b Lưỡi dao cắt chùm sáng ngồi vùng tiêu điểm thấu kính 71 Hình 5.23 Bóng lưỡi dao ứng với vị trí lưỡi dao quanh vùng tiêu điểm thấu kính tiêu sắc .72 Hình 5.24 Bóng lưỡi dao tương ứng với vị trí lưỡi dao quanh vùng tiêu điểm .72 Hình 5.25 Vị trí dịch chuyển lưỡi dao độ lệch bóng lưỡi dao theo bước sóng 75 Hình 5.26 Đường cong màu vật kính theo lý thuyết (2) thực nghiệm (1) 76 Hình Quy ước dấu góc đoạn thẳng 81 LỜI NÓI ĐẦU Quang sai hệ quang học phân thành hai loại: Quang sai đơn sắc (Monochromatic Aberration) quang sai có màu (Chromatic Aberration) Quang sai đơn sắc quang sai tia sáng đơn sắc gây nên, bao gồm cầu sai, coma, cong thị trường méo ảnh Nguyên nhân gây quang sai đơn sắc sai sót hình học mặt quang học nghiêng nhiều chùm tia quang trục, đơi người ta gọi loại quang sai quang sai hình học (Geometry Aberration) Trong thực tiễn chế tạo dụng cụ quang học, người ta hạn chế đến mức tối đa quang sai đơn sắc cách sử dụng vòng chắn sáng cho chùm sáng vào khỏi quang hệ để hạn chế góc mở tia sáng sửa chữa mặt cầu thành mặt phi cầu parabolic Quang sai có màu hay cịn gọi sắc sai loại quang sai làm cho ảnh có màu sắc không giống với vật, tượng chủ yếu mép ảnh có màu quang phổ (hình 0.1) Hiện tượng sắc sai xuất phát từ nguyên nhân vật lý phổ biến, chiết suất chất suốt phụ thuộc vào bước sóng a b Hình 0.1 Ảnh ngơi nhà khơng sắc sai (a) sắc sai (b) Trên giới, người ta chế tạo tổ hợp kính thiên văn với vật kính lớn, khử sắc sai gần tuyệt đối Các thiết bị góp phần quang trọng việc tìm hiểu, phát biến đổi thiên văn vũ trụ Tuy nhiên, vật kính lớn, hệ cồng kềnh, nặng nề khó chế tạo Chính vậy, ngày người ta khơng tiếp tục sản xuất kính thiên văn quang học khổng lồ mà chuyển sang chế tạo trạm thiên văn vô tuyến Các trạm thiên văn vô tuyến mạnh giới cho phép người “nhìn” mục tiêu cách Trái Đất hàng chục năm ánh sáng Tuy nhiên, kính thiên văn quang học sử dụng rộng rãi hoạt động kinh tế, giáo dục, quốc phòng đặc biệt, chúng khử quang sai cách triệt để Để có điều kiện sâu tìm hiểu sắc sai dụng cụ quang học, chọn đề tài luận án “Tính tốn, thiết kế khử sắc sai cho vật kính kính viễn vọng quang học”, dụng cụ quang học bắt buộc phải sửa sắc sai Kính viễn vọng thuật ngữ chung để hệ quang học có chức nhìn vật xa ống nhòm, máy đo xa (telescope)…, đặc biệt dùng để quan sát thiên thể thiết bị có tên kính thiên văn Nói chung, dùng kính viễn vọng để quan sát vật xa, người quan sát điều chỉnh quang hệ trạng thái ngắm chừng vô cực Ở trạng thái này, hệ quang học kính viễn vọng gọi hệ vơ tiêu nghĩa chùm sáng vào chùm sáng khỏi quang hệ chùm sáng song song Thơng thường, hệ vơ tiêu dùng kính viễn vọng có tiêu cự lớn (từ vài chục cm đến vài mét), nghĩa bán kính cong vật kính thường lớn Mặt khác, quan sát vật xa vơ cùng, chùm sáng nghiêng trục nên quang sai đơn sắc (hay quang sai hình học) kính viễn vọng khơng đáng kể, chí bỏ qua Tuy nhiên thấu kính làm thủy tinh nên sắc sai thường tồn hệ vô tiêu Sắc sai có nguy hại lớn làm sai lệch thông tin màu sắc ảnh so với vật Vì sửa sắc sai cho vật kính kính viễn vọng luôn yêu cầu bắt buộc công nghệ thiết kế, chế tạo dụng cụ quang học Để thực đề tài này, luận án viết thành chương: Chương 1: Những kiến thức chung hệ vô tiêu Chương 2: Quang sai đơn sắc hệ thấu kính Chương 3: Sắc sai thấu kính thực