Зеркальный телескоп

Рефлектор — Ньютон

Что такое рефлектор?

В широком смысле слова рефлектор — это любой телескоп, объектив которого состоит только из зеркал. Это и объективы по схеме Ньютона (вогнутое параболическое главное зеркало и вспомогательное диагональное), и Кассегрена (главное — вогнутое, экранирующее меньшее по размеру — выпуклое), и Ричи-Кретьена (апланатический — свободный от комы — Кассегрен), и довольно редкого Грегори (вогнутое и главное, и экранирующее вспомогательное), и некоторые еще менее распространенные двух-, трех- и четырехзеркальные.

Однако в узком смысле это название обычно употребляют по отношению только к Ньютонам.

Классическая схема Ньютона это — вогнутое параболическое зеркало (главное зеркало — ГЗ), которое отражает лучи от бесконечно удаленного объекта в фокальную плоскость на расстоянии равном половине радиуса кривизны при вершине зеркала. Для того, чтобы вывести изображение из падающего параллельного пучка используется вспомогательное плоское зеркало повернутое на 45 градусов к оси труба, оно отражает изображение на 90 градусов. Из-за этих 45 градусов оно назвается диагональным (ДЗ). Для того, чтобы его тень на ГЗ была круглой (это выгодно по ряду соображений) форма ДЗ обычно делается эллиптической с отношением большой оси к малой равном 1.4142 (корень из двух). Размеры определяются размерами сечения светового конуса конуса в плоскости расположения ДЗ. Малая ось эллипса отражающей поверхности диагонального зеркала определяется следующим соотношением:

S — расстояние от ГЗ до вершины светового конуса (равно фокусному расстоянию при нулевом невиньетированном поле), D (мм) — диаметр ГЗ, 2y’ (мм) — диаметр невиньетированного поля зрения, f’ (мм) — фокусное расстояние ГЗ, L (мм) — излом оси (расстояние от оси трубы до вынесенной в бок фокальной плоскости).

Отношение a/D — линейный коэффициент экранирования и обычно выражают в процентах. При этом геометрический центр эллипса диагоналки для сохранения симметричности виньетирования должен быть смещен с оси главного зеркала на

в сторону от фокусера и к главному зеркалу. Внутренний размер трубы Ньютона должен быть больше диаметра ГЗ как минимум на величину примерно 2y’, чтобы не виньетировались наклонные (полевые) световые пучки.

Труба телескопа Ньютона состоит из следующих основных частей

Обеспечивает постоянство положения отдельных частей относительно друг друга, светозащиту от внешней засветки, потоков теплого воздуха от тела и дыхания наблюдателя, пыли и влаги. Труба может быть сплошной несущей или выполненной в виде фермы (возможно с легким чехлом, например, из капрона. Для уменьшения тепловых внутри трубы лучше окрашивать трубу снаружи белым цветом, а материал трубы выбирать из неметаллов. Жесткость трубы обеспечивает таже возможность ее присоединения к монтировке телескопа. Меньшая жесткость нужна для крепления в альт-азимутальной симметричной монтировке (типа Добсона) и несколько больная для крепления в экваториальной.

Создает изображение удаленных предметов в фокальной плоскости окуляра. В классическом исполнении имеет профиль параболоида вращения, но иногда при малых относительных отверстиях может быть заменено на сферическое. Парабола более подвержено технологическим ошибкам изготовления в процессе так называемой фигуризации, но зато обеспечивает высокую светосилу и минимальные аберрации на оси. Толщина зеркала должна быть такой, чтобы обеспечивать достаточную жесткость в условиях переменных весовых нагрузок, а материал — стекло, ситалл или даже плавленый кварц с высокой степенью оптической однородности и минимумом напряжений (как это обычно бывает в закаленном или витринном стекле).

Отбрасывает отраженный главным зеркалом свет вбок, позволяя рассматривать его фокальную плоскость без помех. Зеркало плоское (точность плоскости не менее 1/4 длины волны), имеет в идеале эллиптическую форму отражающей поверхности и скошенные под 45 градусов нерабочую цилиндрическую поверхность. Требования к материалу столь же жесткие как и у главного зеркала. На рынке аксессуаров есть предложения с 95% зеркальным и даже 99% диэлектрическим многослойным слоем отражения, но обычно алюминиевый зеркальный слой отражает порядка 88%. Размер зеркала снизу ограничен диаметром осевого пучка в точке излома оси и возможно меньшим виньетированием внеосевых пучков, а сверху требованиями минимизации экранирования (при малой оси диагоналки 30% от апертуры контраст изображения падает также как 1/4 волновая сферическая аберрация).

Как диагональное, так и главное зеркало имеют наружное зеркальное покрытие (обычно алюминиевое с защитой оксидом кварца или без) весьма чувствительное к механическим нагрузкам. Оно требует особенно бережного обращения и предохранения от царапин при чистке и мойке. Самый мелкие и незаметные царапинки на зеркальном слое приводят к уменьшению контраста изображения и потере проницания.

Оправа главного зеркала

Обеспечивает относительную (с точностью до тепловых зазоров порядка 0.5 мм на сторону) неподвижность главного зеркала по отношению к другим узлам. Лапки (реже приклеивание) предохраняют зеркало от выпадения из оправы. Зеркало обычно укладывается на три равносторонне разнесенные на опоры (диаметр окружности проходящей через опоры равен 0.4 диаметра зеркала) или на специальную систему весовой разгрузки. Оправа зеркала должна иметь возможность менять свое положение в трубе при помощи так называемых юстировочных винтов относительно трубы телескопа или неподвижной части оправы (базы) для обеспечения точной юстировки Ньютона.

Система охлаждения главного зеркала

Это или пассивная система, когда тыльная сторона зеркала максимально открыта наружному воздуху для того, чтобы как можно быстрее привести зеркало в температурное равновесие с окружающей средой, или активная вентиляция наружной и тыльной поверхности зеркала при помощи вентиляторов (обычно используются вентиляторы охлаждения системных блоков компьютеров).

Оправа вторичного зеркала

Оправа диагонального зеркала Ньютона обеспечивает, с одной стороны, точное и постоянное во времени положение диагонального зеркала относительно других элементов схемы (окуляра и главного зеркала), а с другой — возможность небольших изменения угла наклона, угла поворота относительно оси трубы и смещения вдоль ее для коллимации телескопа в процессе грубой юстировки.

«Паук» или растяжки

Обычно четырехлучевая схема подвески узла вторичного (диагонального) зеркала в трубе телескопа. Должна обеспечивать надежное фиксирование диагонального зеркала и возможность его центрировки относительно оси трубы. Иногда встречаются трехлучевые «пауки» (в отличие от четырехлучевых приводят к появлению шести дифракционных лучей вокруг изображения каждой яркой звезды). Еще более экзотичны теперь «одноногое» крепление вторичного зеркала и крепление на искривленных растяжках (последние уменьшают дифракционные лучи, до их полного исчезновения).

Предоставляет базу (обычно торец цилиндра и диаметр отверстия стандарта 1.25″ или 2″) для позиционирования и крепления окуляра с возможностью фокусировки (подгонки под зрение наблюдателя и совмещения фокальных плоскостей окуляра и главного зеркала). Обычно фокусер состоит из базы прикрепляемой к трубе (иногда с возможностью регулировки для выставления перпендикулярности), механизма фокусировки и подвижной трубки фокусера (обычно она имеет возможность перемещаться перпендикулярно оси трубы поступательно, без прокручивания). Наибольшее распространение получили реечная конструкция и фокусер Крейфорда. В любительской практике встречаются фокусеры из корпусов недорогих фотообъективов (типа Гелиос 44 и ему подобных).

Обычно для уменьшения бликования все детали внутренности трубы (внутренняя поверхность трубы, детали узла диагонального зеркал, трубка фокусера, детали крепления главного зеркала, фаски зеркал. короче, все кроме оптических поверхностей) должны быть тщательно зечернены (покрыты несколькими слоями матовой черной краски). Но для еще большей гарантии от бликования (паразитной засветки посторонними источниками света) следует установить две-три светозащитные диафрагмы у главного зеркала и внутри трубки фокусера и даже окуляра. Очень полезен также наглазник на окуляре или слежение за чистотой оптических поверхностей (включая хранение лицевыми поверхностями вниз, минимальную работу с оптикой в жилых, как правило, очень пыльных помещениях).

К трубе телескопа Ньютона обычно крепятся также оптический или коллимационный искатель, система балансировки (для того, чтобы трубы была подвешена на монтироке в состоянии безразличного равновесия), площадка для крепления фотооборудования и гида (небольшого телескопа для ручного или автоматического слежения за фотографируемым объектом). Важно иметь крышки, герметично закрывающие фокусер, передний и задний обрез трубы для ее хранения и перевозки.

При идеально изготовленной параболе ГЗ (что, говоря по совести, бывает только в математической модели) и идеальной юстировке центр поля зрения Ньютона полностью свободен от аберраций и разрешение ограничено только дифракцией (в том числе и от тени вторичного зеркала, которую можно особенно не принимать во внимание при коэффициенте линейного экранирования до 20%). Но Ньютон не свободен от аберраций. Чуть в сторону от оси и уже начинает проявляться кома (неизопланатизм) — аберрация связанная с неравностью увеличения разных кольцевых зон апертуры. Кома приводит к тому, что пятно рассеививания выглядит как проекция конуса — острой и самой яркой частью к центру поля зрения, тупой и округлой в сторону от центра. Размер пятна рассеивания пропорционален удалению от центра поля зрения и пропорционален квадрату диаметра апертуры. Поэтому особенно сильно проявление комы в так называемых «быстрых» (светосильных) Ньютонах на краю поля зрения. Обычно будущих владельцев Ньютона пугают малым диаметром поля зрения условно свободного от влияния комы (то есть в пределах которого кома меньше пресловутого критерия Релея). Приведем и мы эту несколько модернизированную табличку:

k — относительное фокусное расстояние параболического зеркала телескопа,

d — диаметр поля зрения свободного от комы в мм (d = k3/45),

ф150 ф200 ф250 ф300 — колонки в который указаны угловые поля зрения условно свободные от комы, в угловых минутах соотвественно диаметру главного зеркала фХХХ в мм.

Возможно, покажутся полезными следующие формулы расчета величины комы в волновой мере:

где WPV — размах деформации волнового фронта возмущенного комой в длинах волн 0.55 мкм, k — относительный фокус зеркала, D — диаметр зеркала в мм, WRMS — среднеквадратическаая деформация волнового фронта, St — критерий Штреля.

В хорошо отъюстированных Ньютонах умеренной светосилы кома не слишком мешает наблюдениям. Она едва заметна в окуляр с ординарным полем зрения (Плёсл, Кельнер и т.п.) и сильнее в качественный широкоугольный окуляр (отсюда практический вывод — не стоит для Ньютона разоряться на очень уж дорогие широкоугольные окуляры, их перфектное качество может оказаться невостребованным — без корректора комы для детального рассматривания объект все-равно придется перемещать в центр поля зрения).

Ну, нет, конечно. Есть еще астигматизм, который хоть и проявляется в меньшей степени, чем у рефракторов, но так-же ухудшает край поля зрения. Если влияние комы линейно пропорционально удалению объекта от центра поля зрения, то астигматизм нарастает квадратично и именно он ухудшает качество изображения у края полевой диафрагмы 2″ окуляров.

Вот табличка диаметров (мм) полей зрения Ньютона условно свободного от астигматизма (по критерию Реллея) в зависимости от диаметра зеркала D и относительного фокусного расстояния k = f’/D:

Существуют многочисленные вариации оптической схемы Ньютона.

Ньютон со сферическим (а не параболическим) главным зеркалом. Эта схема вносит сферическую аберрацию тем большую, чем больше светосила главного зеркала. То есть пригодна только для весьма умеренных по апертуре и несветосильных инструментов. К примеру, для 150 мм диаметра сферическое зеркало с фокусом 1500 мм почти идеально замещает параболическое. См. обсуждение http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,12759.0/topicseen.html, в котором в частности приведена формула связывающая минимальное фокусное расстояние сферического зеркала, когда оно еще не слишком уступает параболическому f’ = 1.52*D^4/3 Из этой формулы следует такая табличка минимальных фокусных расстояний при которых возможна замена парабол сферическими зеркалами:

вообще же для, сферического зеркала диаметром D и относительным фокусным k = f’/D сферическую аберрацию в волновой мере можно рассчитать по формулам:

WPV = 0.888*D/k^3 — полный размах

WRMS = 0.265*D/k^3 — среднеквадратическое значение

В чем отличие Ньютона и Добсона?

Хм. они жили в разное время. Да и для любителя астрономии это имена разных классов объектов. Ньютон — имя оптической схемы рефлектора, а Добсон (Доб) — имя концепции визуального любительского телескопа включающего трубу с оптической схемой Ньютона на упрощенной легкой альт-азимутальной монтировке. То есть, если кто-то говорит, что у него Ньютон. Скорее всего это означает трубу по схеме Ньютона на какой-то экваториальной монтировке (может быть с возможностью астрофотографии).

Телескоп-рефлектор

Рефлектор — оптический телескоп, использующий в качестве светособирающих элементов зеркала. Впервые рефлектор был построен Исааком Ньютоном около 1670. Это позволило избавиться от основного недостатка использовавшихся тогда телескопов-рефракторов — значительной хроматической аберрации.

Большинство современных телескопов являются рефлекторами.

Большой Телескоп Альт-Азимутальный. Установлен в Специальной астрофизической обсерватории, Россия

Главное зеркало БТА

Система Ньютона

Оптическая схема телескопа Ньютона

Как видно из названия, данную схему телескопов предложил Исаак Ньютон в 1667. Здесь плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса, отклоняет пучок света за пределы трубы, где изображение рассматривается через окуляр или фотографируется. Главное зеркало параболическое, но если относительное отверстие не слишком большое, оно может быть и сферическим.

Оптическая схема телескопа Грегори

В системе Грегори лучи от главного вогнутого параболического зеркала направляются на небольшое вогнутое эллиптическое зеркало, которое отражает их в окуляр, помещённый в центральном отверстии главного зеркала. Поскольку эллиптическое зеркало расположено за фокусом главного зеркала телескопа, изображение в рефлекторе Грегори прямое, тогда как в системе Ньютона — перевёрнутое. Наличие вторичного зеркала удлиняет фокусное расстояние и тем самым даёт возможность применять большие увеличения.

Оптическая схема телескопа Кассегрена

Схема была предложена Лорентом Кассегреном в 1672 году. Это вариант двухзеркального объектива телескопа. Главное зеркало большего диаметра вогнутое (в оригинальном варианте параболическое) отбрасывает лучи на вторичное выпуклое меньшего диаметра (обычно гиперболическое). По классификации Максутова схема относится к так называемым предфокальным удлинняющим — то есть вторичное зеркало расположено между главным зеркалом и его фокусом и полное фокусное расстояние объектива больше, чем у главного. Объектив при том же диаметре и фокусном расстоянии имеет почти вдвое меньшую длину трубы и несколько меньшее экранирование, чем у Грегори. Система неапланатична, то есть несвободна от аберрации комы. Имеет большое число как зеркальных модификаций, включая апланатичный Ричи-Кретьен, со сферической формой поверхности вторичного (Долл-Кирхем) или первичного зеркала, так и зеркально-линзовых.

Отдельно стоит выделить систему Кассегрена, модифицированную советским оптиком Д. Д. Максутовым — систему Максутова-Кассегрена, ставшую настолько популярной, что является одной из самых распространённых систем в астрономии, особенно в любительской.

Оптическая схема телескопа Гершеля

В 1616 г. Н. Цукки предложил заменить линзу вогнутым зеркалом, наклонённым к оптической оси телескопа. Подобный телескоп-рефлектор был сконструирован Уильямом Гершелем в 1772 г. В нём первичное зеркало имеет форму внеосевого параболоида и наклонено так, что фокус находится вне главной трубы телескопа, и наблюдатель не закрывает собой поступающий свет. В 1762 г. (на 10 лет раньше) данную оптическую схему реализовал Михаил Ломоносов. Недостатком данной схемы является большая кома. Однако, при малом относительном отверстии она почти незаметна.

Оптическая схема телескопа Ричи—Кретьена—Кассегрена

Последнее время в зеркальных телескопах широкое применение получила система Ричи — Кретьена, представляющая собой улучшенный вариант системы Кассегрена. В этой системе главное зеркало — вогнутое гиперболическое, а вспомогательное — выпуклое гиперболическое. Окуляр установлен в центральном отверстии гиперболического зеркала. Поле зрения системы Ричи — Кретьена около 4°.

Оптическая схема брахита

В такой схеме вторичное зеркало вынесено за пределы пучка, падающего на главное зеркало. Такая конструкция сложна в изготовлении, так как требует внеосевых параболического и гиперболического зеркал. Однако, при малых апертуре и относительном отверстии эти зеркала можно заменить на сферические. Кома и астигматизм главного зеркала компенсируются наклонами вторичного зеркала. К положительным качествам брахитов можно отнести отсутствие экранирования, что положительно сказывается на чёткости и контрастности изображения. Данная система была впервые применена в 1877 г. И. Форстером и К. Фричем. Существуют различные конструкции брахитов.

На данный момент крупнейшими в мире телескопами-рефлекторами являются два телескопа Кека, расположенные на Гавайях. Keck-I и Keck-II введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 соответственно и имеют эффективный диаметр зеркала 9,8 м. Телескопы расположены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м.

Крупнейший в Евразии телескоп БТА находится на территории России, в горах Северного Кавказа и имеет диаметр главного зеркала 6 м. Он работает с 1976 и длительное время был крупнейшим телескопом в мире.

Большой Альт-Азимутальный Телескоп

Крупнейшим в мире телескопом с цельным зеркалом является Large Binocular Telescope, расположенный на горе Грэхэм (США, штат Аризона). Диаметр обоих зеркал составляет 8,4 метра.

11 октября 2005 года в эксплуатацию был запущен телескоп Southern African Large Telescope в ЮАР с главным зеркалом размером 11 x 9.8 метров, состоящим из 91 одинаковых шестиугольников.

13 июля 2007 года первый свет увидел телескоп Gran Telescopio Canarias на Канарских островах с диаметром зеркала 10,4 м, который является самым большим оптическим телескопом в мире по состоянию на первую половину 2009 года.

Как сделать качественный любительский телескоп самостоятельно — об этом Вы можете прочесть в книгах, которые бесплатно можно скачать на нашем сайте в разделе библиотека астонома-любителя.

Телескоп рефлектор

Телескопы-рефлекторы чаще всего используются для наблюдений объектов Глубокого Космоса — туманностей и галактик. Астрономы-любители любят рефлекторы за невысокую цену при хорошей светосиле.

В телескопах рефлекторах свет собирается при помощи изогнутого главного зеркала и перенаправляется в окуляр при помощи вторичного диагонального зеркала, которое вынесено вперёд главного.

Имеет открытую трубу, в которую попадает пыль, но за счёт этого быстрее остывает при выносе на улицу.

Имея хорошую светосилу, хорошо подходит для наблюдения за тусклыми объектами.

Имеет самую низкую цену за милиметр апертуры.

В телескопах-рефлекторах почти нет хроматизма, поскольку линзы отсутствуют (поскольку, линзы всё равно есть в окуляре, то теоретически небольшой хроматизм может быть).

Лучше выбирать модели, в которых главное зеркало имеет параболическую форму, поскольку сферические зеркала привносят ещё и сферические искажения (чем больше диаметр сферического зеркала, тем это искажение будет сильнее).

Кстати, если посмотрите на схему, то увидите, что окуляр у «ньютона» расположен сбоку, поэтому смотреть объекты ближе к зениту можно без дополнительной призмы перед окуляром, которая нужна в телескопах-рефракторах.

Если посмотрите на цены, то увидите, что за те же деньги можно взять рефлектор с гораздо большей апертурой, чем у рефрактора. Поэтому рефлекторы системы Ньютона так популярны среди любителей.

Телескопы-рефлекторы имеют и недостатки.

Временами рефлекторы нужно «юстировать», особенно после переездов с места на место. Тряска нарушает взаимное расположение зеркал и нужно подкручивать настроечные винты. Это не так сложно, просто об этом надо помнить.

Кроме того, алюминиевое покрытие зеркал с годами может стареть, зеркала по-определению не любят перепады температур. У линзовых рефракторов этого недостатка нет.

В рефлекторах сильно проявляется искажение под названием «кома», — чем дальше от центра, тем сильнее изображение «смазывается», у звёзд появляются «хвосты». Чем короче фокус объектива, тем «кома» сильнее. Но, не унывайте — существуют корректоры комы (недешёвая штука. ). Вообще, кома видна ближе к краям, а в центре она не мешает.

Как уже было упомянуто выше, в рефлекторах центральное зеркало частично закрыто вторичным зеркалом, что снижает светосилу объектива. То есть 100мм рефлектор немного слабее 100мм. рефрактора по светосиле.

Вторичное зеркало держится на растяжках, которые расположены на пути хода лучей к главному зеркалу — возникают дополнительные искажения. Например, от ярких звёзд отходят «четыре луча» — по этому признаку легко узнать фотографии, которые сделаны через телескоп-рефлектор.

Размер у классических «ньютонов» великоват.

Рефлекторы дёшевы, но имеют ряд оптических искажений, многие из которых убраны в разных конструкциях катадиоптрический телескопов — это гибриды зеркальной и линзовой конструкций телескопов.

Говоря о рефлекторах, то есть о телескопах с зеркальным объективом, в подавляющем большинстве случаев имеют ввиду именно рефлектор Ньютона, схема которого приведена выше.

Другие системы чисто зеркальных телескопов встречаются крайне редко.

Например, это брахиты, у которых вторичное зеркало установлено не на оси главного зеркала, а вынесено в сторону. За счёт этого, в брахитах нет злосчастного центрального экранирования, которое снижает чёткость изображения (проницаемость) и светосилу телескопа. К сожалению, брахиты приемлемой апертуры в промышленных масштабах видимо не выпускают.

Источники:
Зеркальный телескоп 1
Рефлектор — Ньютон Что такое рефлектор? В широком смысле слова рефлектор — это любой телескоп, объектив которого состоит только из зеркал. Это и объективы по схеме Ньютона (вогнутое
http://www.astronomy.ru/wiki/%D0%A0%D0%B5%D1%84%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80_-_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD
Зеркальный телескоп 2
Астрономический портал www.galactic.name: карта звездного неба. Статьи о телескопах: Телескоп-рефлектор
http://www.galactic.name/articles/reflecting_telescope.php
Телескоп рефлектор
Телескоп рефлектор Телескопы-рефлекторы чаще всего используются для наблюдений объектов Глубокого Космоса — туманностей и галактик. Астрономы-любители любят рефлекторы за невысокую цену
http://kosmoved.ru/reflektory.shtml

COMMENTS