Рефракционный телескоп (также называемый рефрактором ) — это тип оптического телескопа , который использует линзу в качестве объектива для формирования изображения (также называется диоптрическим телескопом ). Конструкция рефракционного телескопа изначально использовалась в подзорных трубах и астрономических телескопах, но также используется для длиннофокусных объективов камер . Хотя большие рефракционные телескопы были очень популярны во второй половине 19-го века, для большинства исследовательских целей рефракционный телескоп был заменен рефлекторным телескопом , который позволяет использовать большие апертуры . Увеличение рефрактора рассчитывается путем деления фокусного расстояния объектива на фокусное расстояние окуляра . [ 1]
Рефракционные телескопы обычно имеют линзу спереди, затем длинную трубу , затем окуляр или прибор сзади, где фокусируется вид телескопа. Первоначально телескопы имели объектив из одного элемента, но столетие спустя были сделаны двух- и даже трехэлементные линзы.
В рефракторных телескопах используется технология, которая часто применяется в других оптических устройствах, таких как бинокли и зум-объективы / телеобъективы / длиннофокусные объективы .
Рефракторы были самым ранним типом оптического телескопа . Первое упоминание о рефракторном телескопе появилось в Нидерландах около 1608 года, когда производитель очков из Мидделбурга по имени Ганс Липперсгей безуспешно пытался запатентовать его. [2] Новости о патенте быстро распространились, и Галилео Галилей , оказавшийся в Венеции в мае 1609 года, услышал об изобретении, сконструировал собственную версию и применил ее для совершения астрономических открытий. [3]
Все рефракторные телескопы используют одни и те же принципы. Сочетание объектива 1 и определенного типа окуляра 2 используется для сбора большего количества света, чем человеческий глаз способен собрать самостоятельно, фокусировки его 5 и предоставления зрителю более яркого , четкого и увеличенного виртуального изображения 6 .
Объектив в рефракционном телескопе преломляет или изгибает свет . Это преломление заставляет параллельные световые лучи сходиться в фокусной точке ; в то время как непараллельные сходятся в фокальной плоскости . Телескоп преобразует пучок параллельных лучей, чтобы сделать угол α, с оптической осью во второй параллельный пучок с углом β. Отношение β/α называется угловым увеличением. Оно равно отношению между размерами сетчаточного изображения, полученного с телескопом и без него. [4]
Рефракционные телескопы могут иметь множество различных конфигураций для коррекции ориентации изображения и типов аберрации. Поскольку изображение формируется путем преломления света или рефракции, эти телескопы называются рефракционными телескопами или рефракторами .
Конструкция, которую Галилео Галилей использовал около 1609 года , обычно называется телескопом Галилея . [5] Он использовал собирательную (плоско-выпуклую) линзу объектива и рассеивающую (плоско-вогнутую) линзу окуляра (Галилей, 1610). [6] Телескоп Галилея, поскольку в его конструкции нет промежуточного фокуса, дает неперевернутое (т. е. прямое) изображение. [7]
Самый мощный телескоп Галилея, общей длиной 980 миллиметров (39 дюймов; 3 фута 3 дюйма; 1,07 ярда; 98 см; 9,8 дм; 0,98 м), [5] увеличивал объекты примерно в 30 раз. [7] Галилею приходилось работать с плохой технологией линз того времени, и он обнаружил, что ему приходится использовать диафрагмы, чтобы уменьшить диаметр объектива (увеличить его фокусное отношение ) для ограничения аберраций, поэтому его телескоп давал размытые и искаженные изображения с узким полем зрения. [7] Несмотря на эти недостатки, телескоп все еще был достаточно хорош, чтобы Галилео мог исследовать небо. Он использовал его для просмотра кратеров на Луне , [8] четырех крупнейших лун Юпитера , [9] и фаз Венеры . [10]
Параллельные лучи света от удаленного объекта ( y ) будут сведены в фокус в фокальной плоскости объектива ( F′ L1 / y′ ). (Расходящаяся) линза окуляра ( L2 ) перехватывает эти лучи и снова делает их параллельными. Непараллельные лучи света от объекта, движущиеся под углом α1 к оптической оси, движутся под большим углом ( α2 > α1 ) после того, как они прошли через окуляр. Это приводит к увеличению видимого углового размера и отвечает за воспринимаемое увеличение. [ необходима цитата ]
Конечное изображение ( y″ ) является виртуальным изображением, расположенным в бесконечности и направленным вверх (т.е. не перевернутым или прямым), как и объект. [ необходима цитата ]
Телескоп Кеплера , изобретенный Иоганном Кеплером в 1611 году, является усовершенствованием конструкции Галилея. [12] Он использует выпуклую линзу в качестве окуляра вместо вогнутой линзы Галилея. Преимущество этой конструкции заключается в том, что лучи света, выходящие из окуляра [ сомнительно – обсудить ] , сходятся. Это обеспечивает гораздо более широкое поле зрения и больший вынос выходного зрачка , но изображение для зрителя перевернуто. С помощью этой конструкции можно достичь значительно большего увеличения, но, как и в телескопе Галилея, он по-прежнему использует простую одноэлементную объективную линзу, поэтому должен иметь очень высокое фокусное отношение для уменьшения аберраций [13] ( Иоганн Гевелий построил громоздкий телескоп f/225 с 200-миллиметровым (8 дюймов) объективом и 46-метровым (150 футов) фокусным расстоянием , [14] [ нужна страница ] и были построены даже более длинные беструбные « воздушные телескопы »). Конструкция также позволяет использовать микрометр в фокальной плоскости (для определения углового размера и/или расстояния между наблюдаемыми объектами).
Гюйгенс построил воздушный телескоп для Лондонского королевского общества с одноэлементной линзой диаметром 19 см (7,5 дюйма). [15]
Следующим важным шагом в развитии рефракционных телескопов стало изобретение ахроматической линзы , линзы с несколькими элементами, которая помогла решить проблемы с хроматической аберрацией и позволила использовать более короткие фокусные расстояния. Она была изобретена в 1733 году английским адвокатом по имени Честер Мур Холл , хотя была независимо изобретена и запатентована Джоном Доллондом около 1758 года. Конструкция преодолела необходимость в очень больших фокусных расстояниях в рефракционных телескопах, используя объектив, сделанный из двух кусков стекла с разной дисперсией , « короны » и « флинтгласа », для уменьшения хроматической и сферической аберрации . Каждая сторона каждой части шлифуется и полируется , а затем две части собираются вместе. Ахроматические линзы корректируются, чтобы сфокусировать две длины волн (обычно красную и синюю) в одной плоскости. [ требуется цитата ]
Известно, что Честер Мор Холл создал первую двойную линзу с цветовой коррекцией в 1730 году. [16]
Ахроматы Доллонда были довольно популярны в 18 веке. [17] [18] Главным преимуществом было то, что их можно было сделать короче. [18] Однако проблемы с изготовлением стекла привели к тому, что стеклянные объективы не изготавливались больше, чем около четырех дюймов (10 см) в диаметре. [18]
В конце 19 века швейцарский оптик Пьер-Луи Гинан [19] разработал способ изготовления высококачественных стеклянных заготовок размером более четырех дюймов (10 см). [18] Он передал эту технологию своему ученику Йозефу фон Фраунгофера , который в дальнейшем развил эту технологию, а также разработал конструкцию дублетной линзы Фраунгофера. [18] Прорыв в технологиях изготовления стекла привел к появлению великих рефракторов 19 века, которые становились все больше и больше в течение десятилетия, в конечном итоге достигнув более 1 метра к концу того столетия, прежде чем их заменили телескопы-рефлекторы из посеребренного стекла в астрономии. [ необходима цитата ]
Известные производители линз 19 века: [20]
Некоторые известные дублетные рефракторы 19-го века - телескоп Джеймса Лика (91 см/36 дюймов) и рефрактор Гринвича 28 дюймов (71 см). Примером более старого рефрактора является телескоп Шакбурга (датируемый концом 1700-х годов). Известным рефрактором был "Трофейный телескоп", представленный на Большой выставке в Лондоне в 1851 году. Эпоха " великих рефракторов " в 19-м веке ознаменовалась большими ахроматическими линзами, кульминацией которой стал самый большой ахроматический рефрактор из когда-либо построенных - Большой парижский выставочный телескоп 1900 года . [ требуется ссылка ]
В Королевской обсерватории Гринвича инструмент 1838 года под названием телескоп Шипшэнкс включает в себя объектив Кошуа. [26] Шипшэнкс имел линзу шириной 6,7 дюйма (17 см) и был самым большим телескопом в Гринвиче в течение примерно двадцати лет. [27]
В отчете обсерватории за 1840 год упоминается новый на тот момент телескоп Шипшэнкс с дублетом Кошуа: [28]
Мощность и общее качество этого телескопа делают его весьма желанным дополнением к инструментам обсерватории.
В 1900-х годах известным производителем оптики был Zeiss. [29] Примером выдающихся достижений рефракторов является то, что более 7 миллионов человек смогли увидеть через 12-дюймовый рефрактор Zeiss в обсерватории Гриффита с момента его открытия в 1935 году; это наибольшее количество людей, которые увидели через какой-либо телескоп. [29]
Ахроматы были популярны в астрономии для создания звездных каталогов, и они требовали меньше обслуживания, чем металлические зеркала. Некоторые известные открытия с использованием ахроматов — это планета Нептун и луны Марса . [ необходима цитата ]
Длинные ахроматы, несмотря на меньшую апертуру, чем более крупные рефлекторы, часто предпочитались для «престижных» обсерваторий. В конце 18 века каждые несколько лет дебютировал более крупный и длинный рефрактор. [ необходима цитата ]
Например, обсерватория Ниццы дебютировала с 77-сантиметровым (30,31 дюйма) рефрактором, крупнейшим на то время, но его превзошли всего за пару лет. [30]
Апохроматические рефракторы имеют объективы, изготовленные из специальных материалов со сверхнизкой дисперсией. Они разработаны для фокусировки трех длин волн (обычно красного, зеленого и синего) в одной плоскости. Остаточная цветовая ошибка (третичный спектр) может быть на порядок меньше, чем у ахроматической линзы. [ необходима цитата ] Такие телескопы содержат элементы из флюорита или специального стекла со сверхнизкой дисперсией (ED) в объективе и создают очень четкое изображение, которое практически свободно от хроматической аберрации. [31] Из-за специальных материалов, необходимых для изготовления, апохроматические рефракторы обычно дороже телескопов других типов с сопоставимой апертурой.
В XVIII веке Доллонд, популярный производитель дублетных телескопов, также изготовил триплет, хотя они не были так популярны, как двухэлементные телескопы. [18]
Одним из известных триплетных объективов является триплет Кука , известный тем, что он способен исправлять аберрации Сейдаля. [32] Он признан одним из важнейших объективов в области фотографии. [33] [34] Триплет Кука может исправлять, используя всего три элемента, для одной длины волны сферическую аберрацию , кому , астигматизм , кривизну поля и дисторсию . [34]
Рефракторы страдают от остаточной хроматической и сферической аберрации . Это влияет на более короткие фокусные отношения больше, чем на более длинные.ж /6ахроматический рефрактор, скорее всего, покажет значительную цветную окантовку (обычно фиолетовый ореол вокруг ярких объектов);ж /16 ахромат имеет гораздо меньше цветной окантовки.
В очень больших апертурах также существует проблема провисания линзы , в результате гравитационной деформации стекла . Поскольку линза может удерживаться на месте только своим краем, центр большой линзы провисает из-за гравитации, искажая изображения, которые она производит. Наибольший практический размер линзы в рефракционном телескопе составляет около 1 метра (39 дюймов). [35]
Существует еще одна проблема дефектов стекла, полос или небольших пузырьков воздуха , захваченных внутри стекла. Кроме того, стекло непрозрачно для определенных длин волн , и даже видимый свет затемняется отражением и поглощением, когда он пересекает границы раздела воздух-стекло и проходит через само стекло. Большинство этих проблем избегается или уменьшается в отражающих телескопах , которые могут быть сделаны в гораздо больших апертурах и которые практически заменили рефракторы для астрономических исследований.
ISS-WAC на борту Voyager 1/2 использовал линзу диаметром 6 сантиметров (2,4 дюйма), запущенную в космос в конце 1970-х годов, что является примером использования рефракторов в космосе. [36]
Рефракторные телескопы были известны своим использованием в астрономии, а также для наблюдения за земными объектами. Многие ранние открытия Солнечной системы были сделаны с помощью синглетных рефракторов.
Использование преломляющей телескопической оптики повсеместно распространено в фотографии, а также на околоземной орбите.
Одним из наиболее известных применений рефракторного телескопа было открытие с его помощью Галилеем четырех крупнейших спутников Юпитера в 1609 году. Более того, несколько десятилетий спустя первые рефракторы использовались для открытия Титана, крупнейшего спутника Сатурна, а также еще трех спутников Сатурна.
В 19 веке рефракторные телескопы использовались для пионерских работ по астрофотографии и спектроскопии, а связанный с ними инструмент, гелиометр, впервые использовался для расчета расстояния до другой звезды. Их скромные апертуры не привели к такому количеству открытий и, как правило, были настолько малы в апертуре, что многие астрономические объекты просто не наблюдались до появления фотографии с большой выдержкой, к тому времени репутация и причуды рефлекторных телескопов начали превосходить таковые у рефракторов. Несмотря на это, некоторые открытия включают луны Марса, пятую луну Юпитера и множество открытий двойных звезд, включая Сириус (звезду Собаку). Рефракторы часто использовались для позиционной астрономии, помимо других применений в фотографии и наземных наблюдениях.
Галилеевы спутники и многие другие спутники Солнечной системы были открыты с помощью одноэлементных объективов и воздушных телескопов.
Галилео Галилей открыл галилеевы спутники Юпитера в 1610 году с помощью рефракторного телескопа. [37]
Спутник планеты Сатурн, Титан , был открыт 25 марта 1655 года голландским астрономом Христианом Гюйгенсом . [38] [39]
В 1861 году с помощью 18,5-дюймового рефракторного телескопа Дирборна было обнаружено, что у самой яркой звезды на ночном небе, Сириуса, есть меньший звездный компаньон.
К XVIII веку рефракторы начали испытывать серьезную конкуренцию со стороны рефлекторов, которые могли быть сделаны довольно большими и обычно не страдали от той же присущей им проблемы с хроматической аберрацией. Тем не менее, астрономическое сообщество продолжало использовать дублетные рефракторы с небольшой апертурой по сравнению с современными инструментами. Известные открытия включают луны Марса и пятую луну Юпитера, Амальтею .
Асаф Холл открыл Деймос 12 августа 1877 года примерно в 07:48 UTC, а Фобос — 18 августа 1877 года в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия , примерно в 09:14 GMT (современные источники, использующие астрономическую конвенцию до 1925 года , согласно которой день начинался в полдень, [40] указывают время открытия как 11 августа 14:40 и 17 августа 16:06 по вашингтонскому времени соответственно). [41] [42] [43]
Телескоп, использовавшийся для открытия, представлял собой 26-дюймовый (66 см) рефрактор (телескоп с линзой), который тогда находился в Фогги-Боттоме . [44] В 1893 году линза была перемонтирована и помещена в новый купол, где она и остается до 21 века. [45]
Спутник Юпитера Амальтея был открыт 9 сентября 1892 года Эдвардом Эмерсоном Барнардом с помощью 36-дюймового (91 см) рефракторного телескопа в Ликской обсерватории . [46] [47] Он был открыт прямым визуальным наблюдением с помощью рефрактора с двойной линзой. [37]
В 1904 году одним из открытий, сделанных с помощью Большого рефрактора Потсдама (двойного телескопа с двумя дублетами), было открытие межзвездной среды . [48] Астроном профессор Хартманн определил из наблюдений двойной звезды Минтака в Орионе, что в промежуточном пространстве находится элемент кальций . [48]
Планета Плутон была открыта путем просмотра фотографий (т. е. «пластинок» на астрономическом языке) в блинк-компараторе, сделанных с помощью рефракторного телескопа, астрографа с 3-элементным 13-дюймовым объективом. [49] [50]
.jpg/1280px-Chicago's_Great_Telescope_(3573567148).jpg)
Примеры некоторых крупнейших ахроматических рефракторных телескопов диаметром более 60 см (24 дюйма).
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
