Зеркально-линзовый телескоп

Шаблон:Merge to

Зеркально-линзовый телескоп (катадиоптрический телескоп) — телескоп, изображение в котором строится сложным объективом, содержащим как зеркала, так и линзы. Коррекционные линзы сравнительно небольшого диаметра могут использоваться в рефлекторах для увеличения полезного поля зрения, но к зеркально-линзовым телескопам их не относят. Зеркально-линзовыми принято называть такие телескопы, в которых линзовые элементы сравнимы по размеру с главным зеркалом и предназначены для коррекции изображения (оно строится главным зеркалом).

Основные оптические системы катадиоптрических телескопов

Согласно законам оптики, шероховатость поверхности зеркала должна быть не хуже λ/8, где λ — длина волны (видимый свет — 550 нм), а отклонение формы поверхности от рассчитанной должно лежать в пределах от 0,02 мкм до 1 мкм^[1]. Таким образом, основная сложность изготовления зеркала состоит в необходимости очень точно соблюдать кривизну поверхности. Изготовить сферическое зеркало технологически гораздо проще, чем параболическое и гиперболическое, которые используются в телескопах-рефлекторах. Но сферическое зеркало само по себе обладает очень большими сферическими аберрациями и непригодно для использования. Описанные ниже системы телескопов — это попытки исправить аберрации сферического зеркала добавлением в оптическую систему стеклянной линзы особой кривизны (корректора).

Первые системы катадиоптрических телескопов

К первым типам катадиоптрических телескопов можно отнести системы, состоящие из однолинзового объектива и зеркала Манжена. Первый телескоп такого типа был запатентован W. F. Hamilton в 1814. В конце 19-го века немецкий оптик Людвиг Шупманн (Ludwig Schupmann) расположил катадиоптрическое зеркало за фокусом линзового объектива и добавил в систему третий элемент — линзовый корректор. Данные телескопы, однако, не получили распространения, будучи оттеснены ахроматическими рефракторами и рефлекторами. Любопытно отметить, что в конце 20-го века некоторые оптики снова проявили интерес к данным схемам: так, в 1999 г. британский любитель астрономии и телескопостроения Джон Уолл запатентовал оптическую схему телескопа «Zerochromat».^[2]

Система Шмидта

Принцип действия системы, позже Шмидт установил на место ограничивающей диафрагмы корректор сферической аберрации.

Оптическая схема телескопа Шмидта — Кассегрена.

В 1930 эстонско-шведский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Бернхард Шмидт установил в центре кривизны сферического зеркала диафрагму, сразу устранив и кому и астигматизм. Для устранения сферической аберрации он разместил в диафрагме линзу специальной формы, которая представляет собой поверхность 4-го порядка. В результате получилась фотографическая камера с единственной аберрацией — кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она даёт, и больше поле зрения.

Телескоп Шмидта-Кассегрена.

В 1946 Джеймс Бэкер установил в камере Шмидта выпуклое вторичное зеркало и получил плоское поле. Несколько позже эта система была видоизменена и стала одной из самых совершенных систем: Шмидта — Кассегрена, которая на поле диаметром 2 градуса даёт дифракционное качество изображения. В качестве вторичного зеркала обычно используется алюминированная центральная часть обратной стороны корректора. Существует также система Шмидта-Ньютона.

Телескоп Шмидта очень активно используется в астрометрии для создания обзоров неба. Основное его преимущество — очень большое поле зрения, до 6°. Фокальная поверхность является сферой, поэтому астрометристы обычно не исправляют кривизну поля, а вместо этого используют выгнутые фотопластинки.

Система Максутова

Оптическая схема телескопа Максутова — Кассегрена

В 1941 Д. Д. Максутов нашёл, что сферическую аберрацию сферического зеркала можно компенсировать мениском большой кривизны. Найдя удачное расстояние между мениском и зеркалом, Максутов сумел избавиться от комы и астигматизма. Кривизну поля, как и в камере Шмидта, можно устранить, установив вблизи фокальной плоскости плоско-выпуклую линзу — так называемую линзу Пиацци-Смита.

Проалюминировав центральную часть мениска, Максутов получил менисковые аналоги телескопов Кассегрена и Грегори. Были предложены менисковые аналоги практически всех интересных для астрономов телескопов. В частности, в современной любительской астрономии часто применяются телескопы Максутова — Кассегрена, и, в меньшей степени, Максутова — Ньютона и Максутова — Грегори.

Телескоп Максутова-Кассегрена диаметром 150 мм

Следует отметить, что существует два основных типа телескопов Максутова-Кассегрена, различие между которыми состоит в типе вторичного зеркала. В одном случае вторичное зеркало, как было указано выше, является алюминированным кружком на внутренней поверхности мениска. Это упрощает и удешевляет конструкцию. Однако, так как радиусы кривизны внешней и внутренней поверхности мениска одинаковы, для устранения сферической аберрации до приемлемых величин приходится увеличивать фокальное отношение системы. Так, абсолютное большинство коммерчески выпускающихся небольших телескопов любительского класса являются длиннофокусными- имеют фокальное отношение порядка 1/12-1/15.

Телескопы этого типа (в англоязычных источниках) обозначаются как Gregory- Maksutov или Spot- Maksutov, поскольку патент на такую схему (и тип вторичного зеркала) был выдан американскому оптику и инженеру Джону Грегори (John F. Gregory, годы жизни 1927—2009). Первым коммерческим любительским телескопом такого типа был Questar, выпущенный в 1954 г.

Для создания более светосильных систем и телескопов высокого класса применяют отдельное вторичное зеркало, крепящееся к мениску. Наличие отдельного зеркала позволяет придать ему необходимую геометрическую форму, не изменяя при этом конструкцию мениска. В англоязычных источниках данный вариант телескопа Максутова обозначатеся Maksutov — Sigler или Maksutov — Rutten.

Основные преимущества и недостатки катадиоптрических телескопов

Катадиоптрические системы — это синтез зеркальных и линзовых систем. Они имеют много преимуществ, но также получили в наследство и некоторые недостатки.

Преимущества

• Главным преимуществом является простота изготовления сферического зеркала. Корректор избавляет систему от сферической аберрации, «трансформируя» её в аберрацию кривизны поля.
• В качестве вторичного зеркала часто (хотя и не всегда) используется алюминированная центральная часть обратной стороны корректора. Вторичное зеркало — алюминированная часть корректора или отдельное — жёстко зафиксировано в оправе, в то время, как почти во всех рефлекторах вторичное зеркало держится на трёх-четырёх растяжках, что может приводить к разъюстировке и портит дифракционную картину. Катадиоптрическая система во многом свободна от этих недостатков.
• Труба телескопа закрыта, что предотвращает загрязнение внутренних оптических элементов и снижает образование воздушных потоков внутри телескопа.
• Трубы телескопов этого типа наиболее компактны по сравнению с другими типами телескопов (при равном диаметре и фокусном расстоянии).

Недостатки

• Сложность изготовления корректора больших размеров. Самые большие инструменты не превышают 2 метров.
• Большой фокус и, следовательно, очень маленькое поле зрения и небольшая светосила.
• Система содержит оптические элементы из стекла, поэтому на окраине поля зрения проявляется хроматическая аберрация и кома. Стекло корректора поглощает часть света, несколько уменьшая светопропускание инструмента.
• Проблема кривизны поля решалась использованием специального держателя, в котором плоская фотопластинка изгибалась до нужной кривизны. Изготовить же ПЗС-матрицу нужной кривизны сложно и дорого.
• Фокус жёстко связан с длиной трубы (расстояния от зеркала до корректора — половина фокуса). Относительное отверстие также ограничено остаточными аберрациями.
• Большое время термостабилизации оптики перед началом наблюдений.

Зеркально-линзовые системы создавались в поисках компромисса. Их применение ограничено. Малые размеры и фокус не позволяют применять их для астрофизических целей, но телескопы получили широкое распространение среди астрометристов.

См. также

• МТО (зеркально-менисковый объектив)
• Рубинар (зеркально-менисковый объектив)
• Рефлектор (зеркальный телескоп)
• Рефрактор (линзовый телескоп)

Примечания

1. ↑ Быков Б. З., Перов В. А. Оформление рабочих чертежей оптических деталей и выбор допусков на их характеристики. — 1-е изд. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.
2. ↑ «Zerochromat» Джона Уолла

Ссылки

• Список катадиоптрических телескопов
• Шмидта телескоп — статья из Большой советской энциклопедии
• Системы Клевцова
• Телескопы систем Гамильтона, Шупманна, Хондерса