Отражающий телескоп - Reflecting telescope

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
24-дюймовый трансформируемый телескоп Ньютона / Кассегрена на выставке в Институте Франклина

Зеркальный телескоп (также называемый отражателем ) представляет собой телескоп , который использует один или комбинацию изогнутых зеркал , которые отражают свет и формируют изображение . Отражающий телескоп был изобретен в 17 веке Исааком Ньютоном как альтернатива рефракторному телескопу, конструкция которого в то время страдала серьезной хроматической аберрацией . Хотя отражающие телескопы производят другие типы оптических аберраций , их конструкция позволяет использовать объективы очень большого диаметра . Почти все основные телескопы, используемые в астрономических исследованиях, являются отражателями. Отражающие телескопы имеют множество вариантов конструкции и могут использовать дополнительные оптические элементы для улучшения качества изображения или размещения изображения в механически выгодном положении. Поскольку в отражающих телескопах используются зеркала , их иногда называют « катоптрическими » телескопами.

Со времен Ньютона до 1800-х годов само зеркало было сделано из металла - обычно металлического зеркала . К этому типу относятся первые конструкции Ньютона и даже самые большие телескопы XIX века, Левиафан из Парсонстауна с металлическим зеркалом шириной 1,8 метра. В XIX веке новый метод, использующий стеклянный блок, покрытый очень тонким слоем серебра, стал становиться все более популярным на рубеже веков. Важным поворотным моментом в создании отражающих телескопов стала Парижская обсерватория 1,2 м 1878 года, телескопы AA Common, которые привели к появлению отражающих телескопов Кроссли и Гарварда, что помогло завоевать лучшую репутацию отражающих телескопов, поскольку конструкции металлических зеркал были отмечены своими недостатками. В основном металлические зеркала отражали только около 2/3 света, и металл тускнел. После многократной полировки и потускнения зеркало могло потерять необходимую точность.

Отражающие телескопы стали чрезвычайно популярными в астрономии, и многие известные телескопы, такие как космический телескоп Хаббла и популярные любительские модели, используют эту конструкцию. Кроме того, принцип отражательного телескопа был применен к другим длинам волн света, и, например, рентгеновские телескопы также используют принцип отражения для создания оптики формирования изображения.

История

Реплика второго телескопа-рефлектора Ньютона, подаренного им Королевскому обществу в 1672 году.
Большой телескоп Бирра, Левиафан из Парсонстауна. Современные остатки зеркала и несущей конструкции.

Идея о том, что изогнутые зеркала ведут себя как линзы, восходит, по крайней мере, к трактату Альхазена по оптике 11-го века, работам, которые были широко распространены в латинских переводах в ранней современной Европе . Вскоре после изобретения преломляющего телескопа , Galileo , Джованни Франческо Sagredo и других, чему их знанием принципов изогнутых зеркал, обсудила идею строительства телескопа с помощью зеркала в качестве формирующего изображения цели. Были сообщения, что болонский Чезаре Караваджи построил его около 1626 года, а итальянский профессор Никколо Цукки в более поздней работе писал, что он экспериментировал с вогнутым бронзовым зеркалом в 1616 году, но сказал, что это не дало удовлетворительного изображения. Потенциальные преимущества использования параболических зеркал , в первую очередь уменьшение сферической аберрации без хроматической аберрации , привели ко многим предложенным конструкциям отражающих телескопов. Наиболее примечательным из них был Джеймс Грегори , который опубликовал новаторский проект «отражающего» телескопа в 1663 году. Пройдет десять лет (1673 г.), прежде чем ученый-экспериментатор Роберт Гук смог построить этот тип телескопа, который стал известен как Григорианский телескоп .

Исааку Ньютону приписывают создание первого телескопа-рефлектора в 1668 году. В нем использовалось металлическое главное зеркало со сферической шлифовкой и маленькое диагональное зеркало в оптической конфигурации, которая стала известна как ньютоновский телескоп .

Несмотря на теоретические преимущества конструкции отражателя, сложность конструкции и плохие характеристики металлических зеркал, используемых в то время, означало, что им потребовалось более 100 лет, чтобы они стали популярными. Многие достижения в области отражающих телескопов включали в себя совершенство изготовления параболических зеркал в 18 веке, стеклянные зеркала с серебряным покрытием в 19 веке, долговечные алюминиевые покрытия в 20 веке, сегментированные зеркала для увеличения диаметра и активную оптику для компенсации для гравитационной деформации. Нововведением середины 20-го века были катадиоптические телескопы, такие как камера Шмидта , в которых в качестве основных оптических элементов используются как сферическое зеркало, так и линза (называемая пластиной корректора), в основном используемые для получения изображений в широком поле без сферической аберрации.

В конце 20-го века была разработана адаптивная оптика и удачная визуализация для преодоления проблем со зрением , а отражающие телескопы повсеместно используются в космических телескопах и многих типах устройств формирования изображений космических аппаратов.

Технические соображения

Изогнутое главное зеркало является основным оптическим элементом телескопа-рефлектора, который создает изображение в фокальной плоскости. Расстояние от зеркала до фокальной плоскости называется фокусным расстоянием . Здесь может быть размещена пленка или цифровой датчик для записи изображения, или может быть добавлено вторичное зеркало для изменения оптических характеристик и / или перенаправления света на пленку, цифровые датчики или окуляр для визуального наблюдения.

Главное зеркало в большинстве современных телескопов состоит из сплошного стеклянного цилиндра , передняя поверхность которого отшлифована до сферической или параболической формы. Тонкий слой алюминия в вакуумной осаждается на зеркало, образуя с высокой отражающей способностью первую поверхность зеркала .

В некоторых телескопах используются главные зеркала, которые сделаны по-другому. Расплавленное стекло вращается, чтобы сделать его поверхность параболоидальной, и продолжает вращаться, пока оно охлаждается и затвердевает. (См. Вращающаяся печь .) Полученная форма зеркала приближается к желаемой форме параболоида, которая требует минимальной шлифовки и полировки для достижения точной необходимой формы.

Оптические ошибки

Отражающие телескопы, как и любая другая оптическая система, не дают «идеальных» изображений. Необходимость отображать объекты на расстояниях до бесконечности, рассматривать их на разных длинах волн света, а также иметь какой-либо способ просмотра изображения, создаваемого главным зеркалом, означает, что всегда есть какой-то компромисс в оптической конструкции отражающего телескопа.

Поскольку главное зеркало фокусирует свет в общую точку перед собственной отражающей поверхностью, почти все конструкции отражающих телескопов имеют вторичное зеркало , держатель пленки или детектор рядом с этой точкой фокусировки, частично препятствуя попаданию света в главное зеркало. Это не только вызывает некоторое уменьшение количества света, собираемого системой, но также вызывает потерю контрастности изображения из-за дифракционных эффектов препятствия, а также дифракционных выбросов, вызванных большинством вторичных опорных структур.

Использование зеркал позволяет избежать хроматических аберраций, но они вызывают другие типы аберраций . Простое сферическое зеркало не может направить свет от удаленного объекта к общему фокусу, поскольку отражение световых лучей, падающих на зеркало около его края, не сходится с лучами, которые отражаются от более близкого к центру зеркала, дефект, называемый сферической аберрацией . Чтобы избежать этой проблемы, в большинстве отражающих телескопов используются зеркала параболической формы , которые могут фокусировать весь свет в общий фокус. Параболические зеркала хорошо работают с объектами, расположенными рядом с центром изображения, которое они создают (свет распространяется параллельно оптической оси зеркала ), но к краю того же поля зрения они страдают от аберраций вне оси:

  • Кома - аберрация, при которой точечные источники (звезды) в центре изображения фокусируются в точку, но обычно выглядят как «кометоподобные» радиальные пятна, которые усиливаются по направлению к краям изображения.
  • Кривизна поля - лучшая плоскость изображения, как правило, изогнута, что может не соответствовать форме детектора и приводит к ошибке фокусировки по полю. Иногда это корректируется линзой, выравнивающей поле зрения.
  • Астигматизм - азимутальное изменение фокуса вокруг диафрагмы, из-за которого изображения точечного источника выглядят вне оси и кажутся эллиптическими. Астигматизм обычно не является проблемой в узком поле зрения , но на широкоугольном изображении он быстро ухудшается и изменяется квадратично с углом поля зрения.
  • Искажение - искажение не влияет на качество изображения (резкость), но влияет на форму объекта. Иногда это исправляется обработкой изображений.

Существуют конструкции телескопов-отражателей, в которых используются модифицированные зеркальные поверхности (например, телескоп Ричи-Кретьена ) или некоторые формы корректирующих линз (например, катадиоптрические телескопы ), которые корректируют некоторые из этих аберраций.

Использование в астрономических исследованиях

Главное зеркало собрано в Центре космических полетов Годдарда , май 2016 года.

Почти все большие астрономические телескопы исследовательского класса являются отражателями. На это есть несколько причин:

  • Отражатели работают в более широком спектре света, поскольку волны определенной длины поглощаются при прохождении через стеклянные элементы, такие как те, что используются в рефракторе или в катадиоптрическом телескопе .
  • В линзе весь объем материала должен быть без дефектов и неоднородностей, тогда как в зеркале только одна поверхность должна быть идеально отполирована.
  • Свет с разной длиной волны распространяется через среду, отличную от вакуума, с разной скоростью. Это вызывает хроматическую аберрацию . Снижение этого значения до приемлемого уровня обычно включает комбинацию двух или трех линз с диафрагмой (подробнее см. Ахромат и апохромат ). Следовательно, стоимость таких систем значительно зависит от размера апертуры. Изображение, полученное с помощью зеркала, изначально не страдает хроматической аберрацией, а стоимость зеркала намного меньше зависит от его размера.
  • Существуют структурные проблемы, связанные с производством и обращением с линзами с большой апертурой. Поскольку линзу можно удерживать на месте только за край, центр большой линзы будет прогибаться под действием силы тяжести , искажая создаваемое изображение. Самый большой практический размер линзы в преломляющем телескопе составляет около 1 метра. Напротив, зеркало может поддерживаться всей стороной, противоположной его отражающей поверхности, что позволяет использовать конструкции телескопов-отражателей, которые могут преодолевать гравитационное провисание. Самые большие конструкции отражателей в настоящее время превышают 10 метров в диаметре.

Отражающие конструкции телескопов

Григорианский

Световой путь в григорианском телескопе.

Григорианский телескоп , описанный шотландский астроном и математик Джеймс Грегори в своей книге 1663 Optica Promota , использует вогнутый вторичное зеркало , которое отражает изображение обратно через отверстие в первичном зеркале. Это дает прямое изображение, полезное для наземных наблюдений. Некоторые небольшие зрительные трубы до сих пор строятся таким образом. Есть несколько крупных современных телескопов , которые используют григорианский конфигурации , такие как Ватиканского Advanced Technology Telescope , в телескопы Magellan , на Большой бинокулярный телескоп , и Magellan Telescope Giant .

Ньютоновский

Световой путь в ньютоновском телескопе.

Ньютоновской телескоп был первый успешный зеркальный телескоп, завершен Исаак Ньютон в 1668. Это , как правило , имеет параболоид первичное зеркало , но при фокальных коэффициентов Р / 8 или более сферическое первичное зеркало может быть достаточно для высокого визуального разрешения. Плоское вторичное зеркало отражает свет в фокальную плоскость сбоку от верхней части трубы телескопа. Это одна из самых простых и наименее дорогих конструкций для данного размера первичной обмотки, которая пользуется популярностью у производителей телескопов-любителей в качестве домашнего проекта.

Дизайн Кассегрена и его вариации

Световой путь в телескопе Кассегрена.

Кассегрена телескоп (иногда называют «Классический Кассегрена») был впервые опубликован в 1672 дизайне приписываемого Кассегрен . Он имеет параболическое главное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, которое отражает свет обратно вниз через отверстие в основном. Эффект складывания и расхождения вторичного зеркала создает телескоп с большим фокусным расстоянием при короткой длине трубки.

Ричи-Кретьен

Риччи-Кретьена телескоп, изобретенный Джордж Уиллис Ричи и Анри Кретьена в начале 1910 - х годов, является специализированным Кассегрена отражатель , который имеет два гиперболических зеркала (вместо параболической первичной). Она свободна от комы и сферической аберрации на почти плоской фокальной плоскости , если первичный и вторичный кривизны правильно понял , что делает его хорошо подходит для широкой области и фотографических наблюдений. Практически все профессиональные телескопы-рефлекторы в мире созданы по дизайну Ричи – Кретьена.

Трехзеркальный анастигмат

Включение третьего изогнутого зеркала позволяет исправить остающееся искажение, астигматизм, по дизайну Ричи – Кретьена. Это позволяет получить гораздо большие поля зрения.

Далл-Киркхэм

В Долл-Kirkham дизайн Кассегрена телескопа был создан Гораций Dall в 1928 году и взял имя в статье , опубликованной в журнале Scientific American в 1930 году после обсуждения между астрономом - любителем Аланом Киркхаме и Альберта Г. Ингаллс, редактор журнала в то время. Он использует вогнутое эллиптическое главное зеркало и выпуклое сферическое вторичное зеркало . Хотя эту систему измельчить легче, чем классическую систему Кассегрена или Ричи – Кретьена, она не корректирует внеосевую кому. Кривизна поля на самом деле меньше, чем у классического кассегрена. Поскольку это менее заметно при больших соотношениях фокусных расстояний , Далл – Кирхамс редко бывает быстрее, чем f / 15.

Внеосевые конструкции

Есть несколько конструкций, которые пытаются избежать препятствия входящему свету, устраняя вторичный или перемещая любой вторичный элемент с оптической оси главного зеркала , обычно называемых внеосевыми оптическими системами .

Гершельский

Световые дорожки
Гершельский телескоп
Телескоп Шифшпиглера

Herschelian отражатель назван в честь Уильяма Гершеля , который использовал эту конструкцию для создания очень больших телескопов , в том числе 40-футовый телескоп в 1789. В Herschelian отражателем первичное зеркало наклоняется , чтобы голова наблюдателя не блокирует входящий свет. Хотя это вносит геометрические аберрации, Гершель использовал эту конструкцию, чтобы избежать использования вторичного зеркала Ньютона, поскольку металлические зеркала того времени быстро потускнели и могли достичь только 60% отражательной способности.

Schiefspiegler

Вариант Кассегрена, телескоп Schiefspiegler («наклонный» или «наклонный отражатель») использует наклонные зеркала, чтобы вторичное зеркало не отбрасывало тень на основное. Однако при устранении дифракционных картин это приводит к увеличению комы и астигматизма. С этими дефектами можно справиться при больших соотношениях фокусных расстояний - большинство Шифшпиглеров используют f / 15 или больше, что имеет тенденцию ограничивать полезные наблюдения Луной и планетами. Распространен ряд вариаций с разным количеством зеркал разных типов. Стиль Куттера (названный в честь его изобретателя Антона Куттера ) использует при необходимости одну вогнутую главную, выпуклую вторичную и плосковыпуклую линзу между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью (это случай катадиоптрического Шифшпиглера ). Один из вариантов мультишифшпиглера использует вогнутую первичную, выпуклую вторичную и параболическую третичную. Одним из интересных аспектов некоторых Шифшпиглеров является то, что одно из зеркал может участвовать в световом пути дважды - каждый световой путь отражается по разному меридиональному пути.

Стевик-Пол

Телескопы Stevick-Paul представляют собой внеосевые версии трехзеркальных систем Пола с добавленным плоским диагональным зеркалом. Выпуклое вторичное зеркало помещается сбоку от луча, попадающего в телескоп, и располагается афокально так, чтобы направлять параллельный свет на третичное. Вогнутое третичное зеркало расположено ровно в два раза дальше от входящего луча, чем выпуклое вторичное зеркало, а его собственный радиус кривизны удален от вторичного. Поскольку третичное зеркало получает параллельный свет от вторичного зеркала, оно формирует изображение в его фокусе. Фокальная плоскость находится внутри системы зеркал, но доступна для глаза с включением плоской диагонали. Конфигурация Стевика-Пола приводит к тому, что все оптические аберрации в сумме составляют от нуля до третьего порядка, за исключением поверхности Пецваля, которая слегка изогнута.

Йоло

Yolo был разработан Артуром С. Леонардом в середине 1960-х годов. Как и Schiefspiegler, это беспрепятственный телескоп с наклонным рефлектором. Оригинальный Yolo состоит из главного и вторичного вогнутых зеркал с одинаковой кривизной и одинаковым наклоном к главной оси. В большинстве Yolos используются тороидальные отражатели . Конструкция Yolo устраняет кому, но оставляет значительный астигматизм, который снижается за счет деформации вторичного зеркала с помощью некоторой формы деформирующего ремня или, альтернативно, полировки тороидальной фигуры во вторичное. Как и Schiefspieglers, было разработано множество вариаций Yolo. Необходимая величина тороидальной формы может быть полностью или частично передана главному зеркалу. В оптических сборках с большим фокусным соотношением и главное, и вторичное зеркало могут оставаться сферическими, а между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью добавляется очковая корректирующая линза ( катадиоптрическая Yolo ). Добавление выпуклого длиннофокусного третичного зеркала приводит к конфигурации Леонарда Солано . Телескоп Солано не содержит торических поверхностей.

Жидкозеркальные телескопы

В одной из конструкций телескопа используется вращающееся зеркало, состоящее из жидкого металла в лотке, который вращается с постоянной скоростью. Когда тарелка вращается, жидкость образует параболоидальную поверхность практически неограниченного размера. Это позволяет делать очень большие зеркала телескопа (более 6 метров), но, к сожалению, ими нельзя управлять, так как они всегда направлены вертикально.

Фокальные плоскости

Главный фокус

Конструкция телескопа с основным фокусом. Наблюдатель / камера находится в фокусной точке (показано красным крестиком).

В главном фокусе конструкции не используется вторичная оптика, изображение доступно в фокальной точке части главного зеркала . В фокусе находится какая-то конструкция для удерживания пленочной пластины или электронного детектора. Раньше в очень больших телескопах наблюдатель сидел внутри телескопа в «наблюдательной клетке», чтобы непосредственно просматривать изображение или управлять камерой. Сегодня ПЗС- камеры позволяют удаленно управлять телескопом практически из любой точки мира. Пространство, доступное при главном фокусе, сильно ограничено из-за необходимости избегать препятствий для падающего света.

Радиотелескопы часто имеют конструкцию с главным фокусом. Зеркало заменено металлической поверхностью для отражения радиоволн , а наблюдатель - антенной .

Кассегрен фокус

Кассегрен дизайн

Для телескопов, построенных по схеме Кассегрена или другой связанной конструкции, изображение формируется за главным зеркалом в фокусе вторичного зеркала . Наблюдатель смотрит через заднюю часть телескопа, либо камера или другой инструмент установлен сзади. Фокус Кассегрена обычно используется для любительских телескопов или небольших исследовательских телескопов. Однако для больших телескопов с соответственно большими инструментами инструмент в фокусе Кассегрена должен перемещаться вместе с телескопом при его повороте; это накладывает дополнительные требования к прочности опорной конструкции прибора, и потенциально ограничивает перемещение телескопа, чтобы избежать столкновения с препятствиями , такими как стены или оборудования внутри обсерватории.

Нэсмит и куде фокус

Световой путь Nasmyth / coudé.

Нэсмит

Дизайн Нэсмита похож на Кассегрена, за исключением того, что свет не направляется через отверстие в главном зеркале; вместо этого третье зеркало отражает свет в сторону телескопа, что позволяет устанавливать тяжелые инструменты. Это очень распространенная конструкция в больших исследовательских телескопах.

Coudé

Добавление дополнительной оптики к телескопу в стиле Нэсмита для доставки света (обычно через ось склонения ) в фиксированную точку фокусировки, которая не перемещается при изменении ориентации телескопа, дает фокус куде (от французского слова «локоть»). Фокус Coudé дает более узкое поле зрения, чем фокус Nasmyth, и используется с очень тяжелыми инструментами, которым не требуется широкое поле зрения. Одно из таких приложений - спектрографы с высоким разрешением, которые имеют большие коллимирующие зеркала (в идеале с таким же диаметром, что и главное зеркало телескопа) и очень большие фокусные расстояния. Такие инструменты не могли противостоять перемещению и добавлению зеркал к световому пути, чтобы сформировать поезд куде , направляя свет в фиксированное положение к такому инструменту, расположенному на или под наблюдательным полом (и обычно построенном как неподвижная неотъемлемая часть здание обсерватории) было единственным вариантом. 60-дюймовый телескоп Хейла (1,5 м), Hooker телескоп , 200-дюймовый телескоп Хейла , Шейн телескоп , и Харлан Дж Смит телескоп все были построены с куде фокусами приборов. Развитие эшелле- спектрометров позволило проводить спектроскопию с высоким разрешением с помощью гораздо более компактного прибора, который иногда может быть успешно установлен на фокусе Кассегрена. Поскольку в 1980-х годах были разработаны недорогие и достаточно стабильные опоры телескопов alt-az с компьютерным управлением, конструкция Нэсмита в целом вытеснила фокус Куде для больших телескопов.

Спектрографы с оптоволоконным питанием

Для инструментов, требующих очень высокой устойчивости или очень больших и громоздких, желательно установить инструмент на жесткую конструкцию, а не перемещать его вместе с телескопом. В то время как для передачи всего поля зрения требуется стандартный фокус Куде, спектроскопия обычно включает измерение только нескольких дискретных объектов, таких как звезды или галактики. Поэтому возможно собирать свет от этих объектов с помощью оптических волокон на телескопе, размещая инструмент на произвольном расстоянии от телескопа. Примеры спектрографов с оптоволоконным питанием включают спектрографы для поиска планет HARPS или ESPRESSO .

Кроме того, гибкость оптических волокон позволяет собирать свет из любой фокальной плоскости; например, спектрограф HARPS использует фокус Кассегрена 3,6-метрового телескопа ESO , в то время как спектрограф основного фокуса подключен к главному фокусу телескопа Subaru .

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки