УДК 771.351

© Издательство «Наука», Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии», 1975 г.

Объективы, предназначенные для всех видов съемок (фотографической, телевизионной, фототелевизионной) космических объектов, установленные в аппаратуре ИСЗ или на космических кораблях, должны обладать рядом оптических, термооптических, механических и эксплуатационных свойств.

Прежде всего, они должны давать высокое качество оптического изображения, в частности, высокий контраст в рабочем интервале частот (соответственно частотным спектрам объекта и приемника изображений), а при необходимости исследований мелкоструктурных объектов должны иметь высокую разрешающую способность.

Эти объективы должны также быть универсальными в отношении возможности проведения съемки в различных областях спектра, поскольку спектральные характеристики исследуемых космических объектов мало известны и, следовательно, необходимы объективы с апохроматической коррекцией в достаточно широкой области спектра. Эти свойства обеспечивают возможность ведения съемки с различными сменными светофильтрами без необходимости перефокусирования приемника изображений при смене спектральных зон актиничных потоков.

Объективы должны также обладать температурной «нерасстраиваемостью», то есть при их оптическом расчете наряду с коррекцией «классических» монохроматических и хроматических аберраций, определяющих качество оптического изображения — высокий контраст и разрешение, — они корригированы в отношении так называемых термооптических аберраций [1], исправление которых обеспечивает постоянство положения плоскости изображения при изменении температуры, конечно, при условии достаточно равномерного ее распределения (устанавливаемого для каждого конкретного объектива с учетом его конструктивных особенностей).

Объективы должны быть особо устойчивыми, точнее, оптически нерасстраивающимися при всякого рода механических воздействиях — ударах, вибрациях в широком диапазоне частот и амплитуд, больших перегрузках (изменениях сил тяжести при различных ускорениях) и т. п.

Оптические поверхности, оправы линз и корпус объективов должны быть защищены и сохранять свои оптотехнические и светотехнические параметры, при всякого рода климатических и космических воздействиях — влажной атмосферы, глубокого вакуума, резкого перепада температур и т. п.

Рис. 1. Полихроматические ЧКХ объектива Зуфар-2СА для области спектра от 300 до 600 нм и углового поля зрения от 0° до 2°50' (а, б, в, г); дифракционная ЧКХ (°°°), меридиональное (---) и сагиттальное (— — —) сечения

Исключительно важным эксплуатационным требованием, предъявляемым при разработке подобных объектов, следует считать достижение минимальных габаритов и масс.

В результате исследования различных возможных оптических схем [1] линзовых и зеркально-линзовых систем, выполненных в Государственном оптическом институте, была проведена разработка малогабаритного зеркально-линзового кварц-флюоритового анастигмата. В его расчете и разработке участвовали Н. Хмельникова, И. Дриацкая, К. Михайлова и многие другие. Большое внимание этому направлению работ уделял проф. М. М. Мирошников. Объектив назван Зуфар — зеркальный универсальный для ультрафиолетовой и видимой областей спектра.

Система характеризуется высокой коррекцией всех аберраций в широкой области спектра от 300 до 600—700 нм. Для рабочего интервала частот до 60—70 лин/мм в системе удалось получить частотно-контрастные характеристики (ЧКХ) в широкой области спектра, практически не отличающиеся от ЧКХ идеальной системы той же апертуры; качество изображения последней, как известно, определяется волновой природой света и явлениями дифракции. На рис. 1 изображены полихроматические ЧКХ объектива Зуфар-2СА для области спектра от 300 до 600 нм, вычисленные для актиничного потока, учитывающего спектральную чувствительность пленки Изопанхром тип 17 и спектральное пропускание самого объектива. Приведенные графики показывают, что для углового поля зрения от 0° до 4° объектив Зуфар-2СА практически безаберрационен (идеален) и лишь на краю поля (углы кадра) коэффициент передачи контраста его несколько ниже, чем у безаберрационной системы. Следует отметить, что высокое качество изображения, даваемого объективом, достигнуто при весьма малых габаритных и весовых его характеристиках.

Рис. 2. Фототелевизионное устройство с вмонтированным объективом

Столь широкая область апохроматизации, сделавшая объектив универсальным, оказалась возможной благодаря специфическим свойствам оптической схемы, состоящей из зеркал и кварцфлюоритовых линзовых компенсаторов аберраций зеркальной части системы. Эти апохроматические свойства обеспечили возможность применения объектива в самых разнообразных условиях съемки от ультрафиолетовой до красной области с различными светофильтрами, а при необходимости и без светофильтров с сохранением при этом высоких оптических качеств изображения.

В конкретно разработанном и построенном варианте объектив Зуфар-2СА имеет фокусное расстояние 350 мм, геометрическое относительное отверстие 1:4 и формат изображения 24X24 мм. Длина корпуса 164 мм, диаметр 130 мм, масса объектива 1500 г, что достигнуто в результате разработки ажурного корпуса из магниевого сплава.

Рис.3. Спектральное пропускание света объектива Зуфар-2СА

На рис. 2 представлен внешний вид фототелевизионного устройства с вмонтированным в него объективом, установленного на космических автоматических межпланетных станциях «Марс-2, 3, 4, 5» [2, 3].

Оптическая схема объектива содержит два сферических зеркала. Для коррекции сферической аберрации и комы впереди зеркальной части системы в параллельном пучке установлен ахроматический кварцевый менисковый компенсатор, а для коррекции полевых аберраций — астигматизма и кривизны поверхности изображения в сходящемся пучке лучей, выходящих из объектива, установлен кварцфлюоритовый компенсатор.

Рис. 4 а, б. Фотографии поверхности планеты Марс, полученные за оранжевым светофильтром.

Фотографическая разрешающая способность системы «объектив — фотослой», определенная без светофильтра на фотоматериале Изопанхром тип 17 составляет около 60—55 мм^-1 в центре поля и около 50—45 мм^-1 по полю.

Изменение температуры и атмосферного давления в широких пределах весьма мало смещает плоскость наилучшего изображения и не снижает качества фотографического изображения, что позволяет работать в переменных термобарических условиях без перефокусирования объектива. Хорошее светопропускание объектива, составляющее около 60% в широком спектральном диапазоне (рис. 3), делает его универсальным и применимым при проведении фотографических исследований как поверхности Луны и планет, так и окружающей их атмосферы в различных зонах спектра.

На станции «Марс-3» объектив Зуфар-2СА использовался главным образом для фотографирования на дальних расстояниях (150 и 50 тыс. км). Анализ снимков, полученных с расстоянием 150 тыс. км, позволил изучить сумеречные явления на Марсе (эффект удлинения «рогов»), определить сложную структуру его атмосферы (эффект раздвоения «рогов») [4].

На станции «Марс-5» для наилучшего изображения деталей поверхности Марса объектив Зуфар-2СА использовался в сочетании с оранжевым светофильтром, поглощающим коротковолновую область спектра, так как в некоторых случаях наличие фиолетовых облаков и аэрозольное состояние атмосферы Марса в значительной степени снижают контрасть и, следовательно, распознаваемость деталей структуры поверхности планеты. На фотографиях (рис. 4а, б), полученных за оранжевым светофильтром (AMС «Марс-5»), видны как крупные кратеры диаметром до 20—30 км, так и мелкие образования, размеры которых не превышают нескольких десятков метров.

1. Волосов Д. С, Фотографическая оптика, Изд-во «Искусство», 1971.

2. Советские автоматы исследуют Марс, «Правда», 25 августа 1972.

3. В окрестностях планеты Марс, «Правда», 15 февраля 1974.

4. Коваль И. К., Наравва М. К., Селиванов А. С. и др., Доклад на Симпозиуме № 65 (Луна и планеты), г. Торунь, ПНР.

Поступила в редакцию
16.IX.1974