Телескоп Ричи – Кретьена

Специализированный телескоп Кассегрена

Оригинальный 24-дюймовый (0,6 м) телескоп-рефлектор Джорджа Уиллиса Ричи с параболическим зеркалом и двумя фокусами: ньютоновским и кассегреновским. Являясь частью коллекции Смитсоновского института, с 2004 года он был передан в аренду Космическому и научному центру Шабо.

Телескоп Ричи-Кретьена ( RCT или просто RC ) — это специализированный вариант телескопа Кассегрена , который имеет гиперболическое главное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, предназначенные для устранения внеосевых оптических ошибок ( комы ). RCT имеет более широкое поле зрения и отсутствие оптических ошибок по сравнению с более традиционной конфигурацией телескопа-рефлектора . С середины 20 века большинство крупных профессиональных исследовательских телескопов имели конфигурацию Ричи – Кретьена; некоторые известные примеры — космический телескоп Хаббла , телескопы Кека и Очень Большой Телескоп ESO .

История

40-дюймовый (1,0 м) «Ритчи» на станции Флагстафф Военно-морской обсерватории США .

Телескоп Ричи-Кретьена был изобретен в начале 1910-х годов американским астрономом Джорджем Уиллисом Ричи и французским астрономом Анри Кретьеном . В 1927 году Ричи сконструировал первый успешный РКИ с диаметром апертуры 60 см (24 дюйма) (например, 24-дюймовый рефлектор Ричи). Вторым РКИ был инструмент диаметром 102 см (40 дюймов), сконструированный Ричи для Военно-морской обсерватории США ; этот телескоп до сих пор работает на станции Флагстафф военно-морской обсерватории .

Дизайн

Как и другие рефлекторы конфигурации Кассегрена, телескоп Ричи-Кретьена (RCT) имеет очень короткую оптическую трубку и компактную конструкцию для данного фокусного расстояния . RCT предлагает хорошие внеосевые оптические характеристики, но его зеркала требуют сложных технологий для производства и испытаний. Следовательно, конфигурация Ричи – Кретьена чаще всего встречается в высокопроизводительных профессиональных телескопах.

Двухзеркальный фундамент

Телескоп только с одним изогнутым зеркалом, например ньютоновский телескоп , всегда будет иметь аберрации. Если зеркало сферическое, оно будет страдать в первую очередь от сферической аберрации . Если зеркало сделать параболическим, чтобы исправить сферическую аберрацию, то оно все равно страдает комой и астигматизмом , поскольку нет никаких дополнительных конструктивных параметров, которые можно было бы изменить для их устранения. С помощью двух несферических зеркал, таких как телескоп Ричи-Кретьена, также можно устранить кому, устранив вклад двух зеркал в общую кому. Это обеспечивает большее полезное поле зрения. Однако такие конструкции по-прежнему страдают астигматизмом.

Базовая двухповерхностная конструкция Ричи-Кретьена свободна от комы третьего порядка и сферической аберрации . ^[1] Однако конструкция с двумя поверхностями страдает комой пятого порядка, тяжелым астигматизмом большого угла и сравнительно сильной кривизной поля зрения . ^[2]

Дальнейшие исправления третьим элементом

При фокусировке на полпути между сагиттальной и тангенциальной плоскостями фокусировки звезды выглядят как круги, что делает телескоп Ричи-Кретьена хорошо подходящим для широкоугольных и фотографических наблюдений. Остальные аберрации двухэлементной базовой конструкции можно устранить за счет добавления оптических элементов меньшего размера вблизи фокальной плоскости. ^{[3] [4]}

Астигматизм можно устранить, включив третий изогнутый оптический элемент. Когда этот элемент является зеркалом, в результате получается трехзеркальный анастигмат . Альтернативно, RCT может использовать одну или несколько линз с низким увеличением перед фокальной плоскостью в качестве корректора поля для коррекции астигматизма и выравнивания фокальной поверхности, как, например, телескоп SDSS и телескоп VISTA ; это может обеспечить диаметр поля зрения до 3 °.

Камера Шмидта может обеспечить еще более широкое поле зрения, примерно до 7°. Однако для «Шмидта» требуется корректирующая пластина с полной апертурой, что ограничивает ее апертурой менее 1,2 метра, в то время как «Ритчи-Кретьен» может быть намного больше. Другие конструкции телескопов с передними корректирующими элементами не ограничиваются практическими проблемами изготовления многократно изогнутой корректирующей пластины Шмидта, например конструкция Лурье-Хоутона .

Закупорка апертуры

В конструкции Ричи-Кретьена, как и в большинстве систем Кассегрена, вторичное зеркало блокирует центральную часть апертуры. Эта кольцеобразная входная апертура значительно уменьшает часть передаточной функции модуляции (MTF) в диапазоне низких пространственных частот по сравнению с конструкцией с полной апертурой, такой как рефрактор. ^[5] Этот вырез MTF снижает контрастность изображения при визуализации широких объектов. Кроме того, поддержка вторичного изображения (паука) может привести к появлению дифракционных всплесков на изображениях.

Зеркало

Схема телескопа-рефлектора Ричи – Кретьена

Радиусы кривизны главного и вторичного зеркал соответственно в двухзеркальной конфигурации Кассегрена составляют:

${\displaystyle R_{1}=-{\frac {2DF}{F-B}}=-{\frac {2F}{M}}}$

и

${\displaystyle R_{2}=-{\frac {2DB}{F-B-D}}=-{\frac {2B}{M-1}}}$,

где

• ${\displaystyle F}$- эффективное фокусное расстояние системы,
• ${\displaystyle B}$- заднее фокусное расстояние (расстояние от второстепенного до фокуса),
• ${\displaystyle D}$расстояние между двумя зеркалами и
• ${\displaystyle M=(F-B)/D}$это вторичное увеличение. ^[6]

Если вместо и известны величины фокусное расстояние главного зеркала , и расстояние до фокуса за главным зеркалом , то и . ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle D=f_{1}(F-b)/(F+f_{1})}$ ${\displaystyle B=D+b}$

Для системы Ричи – Кретьена конические постоянные и двух зеркал выбираются так, чтобы исключить сферическую аберрацию и кому третьего порядка; решение: ${\displaystyle K_{1}}$ ${\displaystyle K_{2}}$

${\displaystyle K_{1}=-1-{\frac {2}{M^{3}}}\cdot {\frac {B}{D}}}$

и

${\displaystyle K_{2}=-1-{\frac {2}{(M-1)^{3}}}\left[M(2M-1)+{\frac {B}{D}}\right]}$.

Обратите внимание, что и меньше (поскольку ), поэтому оба зеркала гиперболические. (Однако главное зеркало обычно довольно близко к параболическому.) ${\displaystyle K_{1}}$ ${\displaystyle K_{2}}$ ${\displaystyle -1}$ ${\displaystyle M>1}$

Гиперболическую кривизну трудно проверить, особенно с использованием оборудования, обычно доступного производителям телескопов-любителей или производителям лабораторных масштабов; таким образом, в этих приложениях преобладают старые конструкции телескопов. Однако профессиональные производители оптики и крупные исследовательские группы проверяют свои зеркала с помощью интерферометров . Тогда для Ричи-Кретьена требуется минимальное дополнительное оборудование, обычно небольшое оптическое устройство, называемое нулевым корректором , которое придает гиперболическому первичному элементу сферический вид для интерферометрического теста. На космическом телескопе Хаббла это устройство было построено неправильно (отражение от непредусмотренной поверхности, приводящее к неправильному измерению положения линзы), что привело к ошибке в главном зеркале Хаббла. ^[7]

Неправильные корректоры нуля привели и к другим ошибкам изготовления зеркал, например, в телескопе Новой Технологии .

Дополнительные плоские зеркала

На практике каждая из этих конструкций может также включать любое количество плоских складчатых зеркал , используемых для изгиба оптического пути в более удобные конфигурации. В этой статье рассматриваются только зеркала, необходимые для формирования изображения, а не для его размещения в удобном месте.

Примеры больших телескопов Ричи – Кретьена

Ричи планировал, что 100-дюймовый телескоп Маунт-Вилсон-Хукер (1917 г.) и 200-дюймовый (5 м) телескоп Хейла будут РКИ. Его конструкции обеспечивали бы более четкое изображение в большем полезном поле зрения по сравнению с фактически используемыми параболическими конструкциями. Однако Ричи и Хейл поссорились. Поскольку 100-дюймовый проект уже опоздал и бюджет превысил бюджет, Хейл отказался принять новый дизайн с его труднопроверяемыми изгибами, и Ричи покинул проект. Оба проекта тогда были построены с использованием традиционной оптики. С тех пор достижения в оптических измерениях ^[8] и производстве ^[9] позволили конструкции RCT взять верх – телескоп Хейла, запущенный в эксплуатацию в 1948 году, оказался последним ведущим в мире телескопом, имевшим параболическое главное зеркало. ^[10]

Ферменный телескоп RC Optical Systems диаметром 41 см , входящий в состав массива PROMPT Telescopes .

• 10,4-метровый телескоп Gran Telescopio Canarias в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма , Канарские острова ( Испания ).
• Два 10-метровых телескопа обсерватории Кека в обсерватории Мауна-Кеа ( США ).
• Четыре 8,2-метровых телескопа, входящие в состав Очень большого телескопа ( Чили ).
• 8,2-метровый телескоп Subaru в обсерватории Мауна-Кеа ( США ).
• Два 8-метровых телескопа, входящие в обсерваторию Джемини в Мауна-Кеа ( США ) и Чили .
• Обзорный астрономический телескоп видимого и инфракрасного диапазона диаметром 4,1 м в обсерватории Паранал ( Чили ).
• Южный астрофизический исследовательский телескоп диаметром 4,1 м в Серро-Пачон ( Чили ).
• 4,0-метровый телескоп Мэйолл в Национальной обсерватории Китт-Пик ( США ).
• 4,0-метровый телескоп Бланко в Межамериканской обсерватории Серро Тололо ( Чили ).
• Телескоп диаметром 3,94 м в обсерватории Восточной Анатолии (DAG) в Эрзуруме , Турция .
• Англо-австралийский телескоп диаметром 3,9 м в обсерватории Сайдинг-Спринг ( Австралия ).
• 3,6-метровый оптический телескоп Devasthal Научно - исследовательского института наблюдательных наук Арьябхатты , Найнитал, ( Индия ).
• 3,58-метровый телескоп Telescopio Nazionale Galileo в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на Ла-Пальме , Канарские острова , ( Испания ).
• 3,58-метровый телескоп новой технологии в Европейской южной обсерватории ( Чили ).
• 3,5-метровый телескоп ARC в обсерватории Апач-Пойнт , Нью-Мексико ( США ).
• 3,5-метровый телескоп обсерватории Калар-Альто на горе Калар-Альто ( Испания ).
• Обсерватория WIYN высотой 3,50 м в Национальной обсерватории Китт-Пик ( США ).
• 3,4-метровый телескоп INO340 в Иранской национальной обсерватории ( Иран ).
• Обзорный телескоп VLT диаметром 2,65 м в обсерватории ESO Паранал ( Чили ).
• Эффективная длина 2,56 м.ж /11 Северный оптический телескоп на Ла-Пальме , Канарские острова , ( Испания ).
• 2,50-метровый телескоп Sloan Digital Sky Survey (модифицированная конструкция) в обсерватории Апач-Пойнт , Нью-Мексико , США.
• Космический телескоп Хаббл диаметром 2,4 м в настоящее время находится на орбите вокруг Земли.
• 2,4-метровый телескоп Тайской национальной обсерватории на Дой Интанон ( Таиланд ).
• 2,2-метровый телескоп обсерватории Калар-Альто на горе Калар-Альто ( Испания ).
• 2,15-метровый телескоп астрономического комплекса Леонсито в Сан-Хуане , Аргентина .
• Телескоп диаметром 2,12 м в Сан-Педро-Мартир , Национальная астрономическая обсерватория (Мексика) .
• Телескоп диаметром 2,1 м в Национальной обсерватории Китт-Пик ( США ).
• 2,08-метровый телескоп Отто Струве в обсерватории Макдональд ( США ).
• 2,0-метровый Ливерпульский телескоп ( робот-телескоп ) на Ла-Пальме , Канарские острова , ( Испания ).
• 2,0-метровый телескоп Роженской обсерватории , Болгария .
• 2,0-метровый гималайский телескоп «Чандра» Индийской астрономической обсерватории в Ханле ( Индия ).
• 1,8-метровые телескопы Pan-STARRS в Халеакале на острове Мауи , Гавайи .
• Телескоп диаметром 1,65 м в Молетской астрономической обсерватории ( Литва ).
• 1,6-метровый телескоп обсерватории Мон-Мегантик на горе Мон-Мегантик в Квебеке , Канада .
• 1,6-метровый телескоп Перкин-Элмер в обсерватории Пику-дус-Диас в Минас-Жерайс , Бразилия .
• 1,3-метровый телескоп в обсерватории Скинакас на острове Крит , Греция .
• 1,0-метровый телескоп Ричи на станции Флагстафф Военно-морской обсерватории США (последний телескоп, созданный Дж. Ричи перед его смертью).
• DFM Engineering 1,0 м ж /8 февраля в обсерватории Эмбри-Риддл в Дейтона-Бич, Флорида , ( США ).
• Четыре 1,0-метровых телескопа SPECULOOS в обсерватории Паранал в Чили посвящены поиску экзопланет размером с Землю .
• Космический телескоп Спитцер диаметром 0,85 м , инфракрасный космический телескоп на околоземной орбите (выведен из эксплуатации НАСА 30 января 2020 года).
• 0,8-метровый телескоп Перрен, спроектированный Astelco Systems , в обсерватории Лондонского университетского колледжа в Милл-Хилл, Лондон ( Великобритания ).
• 0,8-метровый телескоп DFM Engineering CCT-32 в Университете Виктории в Виктории, Британская Колумбия.
• Камера LOng Range Reconnaissance Imager (LORRI) длиной 0,208 м на борту космического корабля «Новые горизонты» , находящегося в настоящее время за пределами Плутона.

Смотрите также

• Список крупнейших оптических телескопов-рефлекторов
• Список типов телескопов
• Телескоп Лурье – Хоутона
• Максутовский телескоп
• Отражающий телескоп
• Телескоп Шмидта – Кассегрена

Рекомендации

1. Сацек, Владимир (14 июля 2006 г.). «Классические и апланатические двухзеркальные системы». телескоп-оптика.net . Заметки по оптике любительских телескопов . Проверено 24 апреля 2010 г.
2. Руттен, Гарри; ван Венрой, Мартин (2002). Телескопическая оптика . Вильманн-Белл. п. 67. ИСБН 0-943396-18-2.
3. Боуэн, Исландия; Воган, AH (1973). «Оптическая схема 40-дюймового телескопа и телескопа Ирени Дюпон в обсерватории Лас-Кампанас, Чили». Прикладная оптика . 12 (77): 1430–1435. Бибкод : 1973ApOpt..12.1430B. дои : 10.1364/AO.12.001430. ПМИД  20125543.
4. Хармер, CFW; Винн, CG (октябрь 1976 г.). «Простой широкопольный телескоп Кассегрена». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 177 : 25–30. Бибкод : 1976MNRAS.177P..25H. дои : 10.1093/mnras/177.1.25P . Проверено 29 августа 2017 г.
5. «Последствия закупорки апертуры».
6. Смит, Уоррен Дж. (2008). Современная оптическая техника (4-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал . стр. 508–510. ISBN 978-0-07-147687-4.
7. Аллен, Лью; и другие. (1990). Отчет об отказе оптических систем космического телескопа Хаббл (PDF) (Отчет). НАСА . НАСА-ТМ-103443.
8. Бердж, Дж. Х. (1993). «Передовые методы измерения главных зеркал астрономических телескопов» (PDF) . Кандидат наук. Диссертация, Университет Аризоны. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
9. Уилсон, Р.Н. (1996). Оптика отражающего телескопа I. Базовая теория конструкции и ее историческое развитие . Том. 1. Шпрингер-Верлаг: Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк. Бибкод : 1996rtob.book.....W.стр. 454
10. Зиркер, Дж.Б. (2005). Акр стекла: история и прогноз телескопа . Пресса Университета Джонса Хопкинса., п. 317.