Телескоп Ричи-Кретьена

Специализированный телескоп Кассегрена

Оригинальный 24-дюймовый (0,6 м) рефлекторный телескоп Джорджа Уиллиса Ричи с параболическим зеркалом и двумя фокусами: ньютоновским и кассегреновским. Часть коллекции Смитсоновского института, с 2004 года он находится во временном пользовании в Космическом и научном центре 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, свободное от оптических ошибок, по сравнению с более традиционной конфигурацией рефлекторного телескопа . С середины 20-го века большинство крупных профессиональных исследовательских телескопов имели конфигурацию Ричи–Кретьена; некоторые известные примеры — космический телескоп Хаббл , телескопы Кека и очень большой телескоп ESO .

История

40-дюймовый (1,0 м) телескоп Ричи 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 . Ричи построил первый успешный RCT, который имел диаметр апертуры 60 см (24 дюйма) в 1927 году (например, 24-дюймовый рефлектор Ричи). Второй RCT был 102-сантиметровым (40-дюймовым) инструментом, построенным Ричи для Военно-морской обсерватории США ; этот телескоп все еще работает на станции Военно-морской обсерватории Флагстафф .

Дизайн

Как и другие рефлекторы конфигурации Кассегрена, телескоп Ричи–Кретьена (RCT) имеет очень короткую оптическую трубу и компактную конструкцию для заданного фокусного расстояния . RCT обеспечивает хорошие внеосевые оптические характеристики, но его зеркала требуют сложных методов изготовления и тестирования. Поэтому конфигурация Ричи–Кретьена чаще всего встречается на высокопроизводительных профессиональных телескопах.

Двухзеркальный фундамент

Телескоп с одним изогнутым зеркалом, например, телескоп Ньютона , 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 будет страдать от комы и астигматизма , поскольку нет дополнительных параметров конструкции, которые можно было бы изменить, чтобы устранить их. С двумя несферическими зеркалами, например, телескопом Ричи-Кретьена, кома также может быть устранена, сделав вклад двух зеркал в общую кому компенсацией. Это позволяет увеличить полезное поле зрения. Однако такие конструкции все еще страдают от астигматизма.

Базовая двухповерхностная конструкция Ричи-Кретьена свободна от комы третьего порядка и сферической аберрации . ^[1] Однако двухповерхностная конструкция страдает от комы пятого порядка, сильного астигматизма с большими углами и сравнительно сильной кривизны поля . ^[2]

Дальнейшие исправления третьим элементом

При фокусировке посередине между сагиттальной и тангенциальной плоскостями фокусировки звезды выглядят как круги, что делает Ричи-Кретьена хорошо подходящим для широкоугольных и фотографических наблюдений. Оставшиеся аберрации двухэлементной базовой конструкции могут быть улучшены путем добавления более мелких оптических элементов вблизи фокальной плоскости. ^{[3] [4]}

Астигматизм можно устранить, включив третий изогнутый оптический элемент. Когда этот элемент является зеркалом, получается трехзеркальный анастигмат . В качестве альтернативы RCT может использовать одну или несколько маломощных линз перед фокальной плоскостью в качестве корректора поля для исправления астигматизма и выравнивания фокальной поверхности, как, например, телескоп SDSS и телескоп VISTA ; это может обеспечить поле зрения диаметром до 3°.

Камера Шмидта может обеспечить еще более широкие поля до 7°. Однако для Шмидта требуется полноапертурная корректирующая пластина, которая ограничивает ее апертурами менее 1,2 метра, в то время как Ричи-Кретьен может быть намного больше. Другие конструкции телескопов с передними корректирующими элементами не ограничены практическими проблемами изготовления многократно изогнутой корректирующей пластины Шмидта, например, конструкция Лурье-Хоутона .

Препятствие диафрагме

В конструкции Ричи-Кретьена, как и в большинстве систем Кассегрена, вторичное зеркало блокирует центральную часть апертуры. Эта кольцевая входная апертура значительно уменьшает часть функции передачи модуляции (MTF) в диапазоне низких пространственных частот по сравнению с конструкцией с полной апертурой, такой как рефрактор. ^[5] Эта выемка MTF имеет эффект снижения контрастности изображения при визуализации широких объектов. Кроме того, поддержка вторичного зеркала (паука) может вносить дифракционные пики в изображения.

Зеркала

Схема рефлекторного телескопа Ричи-Кретьена

Радиусы кривизны первичного и вторичного зеркал 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 вторичного зеркала до фокуса),
• ${\displaystyle D}$это расстояние между двумя зеркалами и
• ${\displaystyle M=(F-B)/D}$вторичное увеличение. ^[6]

Если вместо и известными величинами являются 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 константы и двух зеркал выбираются таким образом, чтобы исключить сферическую аберрацию третьего порядка и кому; решение имеет вид: ${\displaystyle K_{1}}$ ${\displaystyle K_{2}}$

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

и

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

Обратите внимание, что и меньше (так как ), поэтому оба зеркала являются гиперболическими. (Однако основное зеркало обычно довольно близко к параболическому.) ${\displaystyle K_{1}}$ ${\displaystyle K_{2}}$ ${\displaystyle -1}$ ${\displaystyle M>1}$

Гиперболические кривизны трудно проверить, особенно с помощью оборудования, обычно доступного любителям-изготовителям телескопов или изготовителям лабораторных масштабов; таким образом, в этих приложениях преобладают старые схемы телескопов. Однако профессиональные изготовители оптики и большие исследовательские группы проверяют свои зеркала с помощью интерферометров . Затем Ричи-Кретьену требуется минимальное дополнительное оборудование, как правило, небольшое оптическое устройство, называемое нуль-корректором , которое делает гиперболическое первичное зеркало сферическим для интерферометрического теста. На космическом телескопе Хаббл это устройство было построено неправильно (отражение от непреднамеренной поверхности, приводящее к неправильному измерению положения линзы), что привело к ошибке в главном зеркале Хаббла. ^[7]

Неправильные нуль-корректоры также привели к другим ошибкам при изготовлении зеркал, например, в телескопе New Technology .

Дополнительные плоские зеркала

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

Примеры больших телескопов Ричи-Кретьена

Ричи планировал, что 100-дюймовый телескоп Mount Wilson Hooker (1917) и 200-дюймовый (5 м) телескоп Hale будут RCT. Его проекты обеспечивали бы более четкие изображения в большем полезном поле зрения по сравнению с фактически используемыми параболическими конструкциями. Однако Ричи и Хейл поссорились. Поскольку 100-дюймовый проект уже опоздал и превысил бюджет, Хейл отказался принять новую конструкцию с ее труднопроверяемыми кривизнами, и Ричи покинул проект. Оба проекта затем были построены с использованием традиционной оптики. С тех пор достижения в области оптических измерений ^[8] и изготовления ^[9] позволили конструкции RCT взять верх — телескоп Hale, посвященный в 1948 году, оказался последним ведущим в мире телескопом с параболическим главным зеркалом. ^[10]

41-сантиметровый ферменный телескоп RC Optical Systems , часть массива телескопов PROMPT .

• 10,4-метровый телескоп Gran Telescopio Canarias в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма , Канарские острова ( Испания ).
• Два 10,0-метровых телескопа обсерватории Кека в обсерватории Мауна-Кеа ( США ).
• Четыре 8,2-метровых телескопа, составляющие Очень Большой Телескоп ( Чили ).
• 8,2-метровый телескоп Subaru в обсерватории Мауна-Кеа ( США ).
• Два 8,0-метровых телескопа, входящие в состав обсерватории «Джемини» в обсерватории Мауна-Кеа ( США ) и Чили .
• 4,1-метровый обзорный телескоп для видимого и инфракрасного диапазона в обсерватории Параналь ( Чили ).
• 4,1-метровый Южный астрофизический исследовательский телескоп в Серро-Пачон ( Чили ).
• 4,0-метровый телескоп Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик ( США ).
• 4,0-метровый телескоп Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо ( Чили ).
• 3,94-метровый телескоп в обсерватории Восточной Анатолии (DAG) в Эрзуруме , Турция .
• 3,9-метровый англо-австралийский телескоп в обсерватории Сайдинг-Спринг ( Австралия ).
• 3,6-метровый оптический телескоп Девастхал Научно -исследовательского института наблюдательных наук имени 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 Апачи-Пойнт , Нью-Мексико ( США ).
• 3,5-метровый телескоп обсерватории Калар-Альто на горе Калар-Альто ( Испания ).
• Обсерватория WIYN диаметром 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 Параналь Европейской южной обсерватории ( Чили ).
• Эффективная высота 2,56 мж /11. Северный оптический телескоп на острове Ла-Пальма , Канарские острова ( Испания ).
• Телескоп Sloan Digital Sky Survey диаметром 2,50 м (модифицированная конструкция) в обсерватории Apache Point , Нью-Мексико , США
• 2,4-метровый космический телескоп «Хаббл» в настоящее время находится на орбите вокруг Земли.
• 2,4-метровый телескоп Тайской национальной обсерватории на горе 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 .
• 2,12-метровый телескоп в Национальной астрономической обсерватории Сан-Педро-Мартир ( Мексика ) .
• 2,1-метровый телескоп в Национальной обсерватории Китт-Пик ( США ).
• 2,08-метровый телескоп Отто Струве в обсерватории Макдональда ( США ).
• 2,0-метровый Ливерпульский телескоп ( роботизированный телескоп ) на острове Ла-Пальма , Канарские острова ( Испания ).
• 2,0-метровый телескоп в Роженской обсерватории , Болгария .
• 2,0-метровый гималайский телескоп «Чандра» Индийской астрономической обсерватории , Ханле ( Индия ).
• 1,8-метровые телескопы Pan-STARRS в Халеакале на острове Мауи , Гавайи .
• 1,65-метровый телескоп Молетской астрономической обсерватории ( Литва ).
• 1,6-метровый телескоп обсерватории Мон-Мегантик на горе Мон-Мегантик в Квебеке , Канада .
• 1,6-метровый телескоп Перкина-Элмера в обсерватории Пику-дус-Диас в Минас-Жерайс , Бразилия .
• 1,3-метровый телескоп в обсерватории Скинакас на острове Крит , Греция .
• Телескоп Ричи диаметром 1,0 м на станции Флагстафф Военно-морской обсерватории США (последний телескоп, созданный Г. Ричи перед его смертью).
• 1,0 м DFM Engineering ж /8 в обсерватории Эмбри-Риддла в Дейтона-Бич, Флорида ( США ).
• Четыре 1,0-метровых телескопа SPECULOOS в обсерватории Параналь в Чили, занимающиеся поиском экзопланет размером с Землю .
• Космический телескоп Spitzer диаметром 0,85 м — инфракрасный космический телескоп на орбите, следующей за Землей (выведен из эксплуатации НАСА 30 января 2020 года).
• Телескоп Perren диаметром 0,8 м, разработанный Astelco Systems, находится в обсерватории Лондонского университетского колледжа в Милл-Хилле, Лондон ( Великобритания ).
• Телескоп DFM Engineering CCT-32 диаметром 0,8 м в Университете Виктории в г. Виктория, Британская Колумбия
• 0,208-метровая камера дальнего действия LORRI на борту космического аппарата New Horizons , в настоящее время находящегося за пределами Плутона.

Смотрите также

• Список крупнейших оптических телескопов-рефлекторов
• Список типов телескопов
• Телескоп Лурье-Хоутона
• телескоп Максутова
• Рефлекторный телескоп
• Телескоп Шмидта – Кассегрена

Ссылки

1. Сачек, Владимир (14 июля 2006 г.). "Классические и апланатические двухзеркальные системы". telescope-optics.net . Заметки по любительской телескопической оптике . Получено 24.04.2010 .
2. Руттен, Гарри; ван Венрой, Мартин (2002). Оптика телескопа . Вильманн-Белл. п. 67. ИСБН 0-943396-18-2.
3. Боуэн, И.С.; Воган, А.Х. (1973). «Оптическая конструкция 40-дюймового телескопа и телескопа Ирене Дюпон в обсерватории Лас-Кампанас, Чили». Applied Optics . 12 (77): 1430–1435. Bibcode : 1973ApOpt..12.1430B. doi : 10.1364/AO.12.001430. PMID  20125543.
4. Harmer, CFW; Wynne, CG (октябрь 1976 г.). "Простой широкоугольный телескоп Кассегрена". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 177 : 25–30. Bibcode :1976MNRAS.177P..25H. doi : 10.1093/mnras/177.1.25P . Получено 29 августа 2017 г.
5. «Эффекты засорения апертуры».
6. Смит, Уоррен Дж. (2008). Современная оптическая инженерия (4-е изд.). McGraw-Hill Professional . стр. 508–510. ISBN 978-0-07-147687-4.
7. Аллен, Лью и др. (1990). Отчет об отказе оптических систем космического телескопа Хаббл (PDF) (Отчет). NASA . NASA-TM-103443.
8. Бердж, Дж. Х. (1993). «Усовершенствованные методы измерения главных зеркал астрономических телескопов» (PDF) . Докторская диссертация, Университет Аризоны. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
9. Уилсон, Р. Н. (1996). Оптика отражающего телескопа I. Основная теория конструкции и ее историческое развитие . Том 1. Springer-Verlag: Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк. Bibcode : 1996rtob.book.....W.С. 454
10. Зиркер, Дж. Б. (2005). Акр стекла: история и прогноз телескопа . Johns Hopkins Univ Press., стр. 317.