Камера Шмидта , также называемая телескопом Шмидта , представляет собой катадиоптрический астрофотографический телескоп , предназначенный для обеспечения широких полей зрения с ограниченными аберрациями . Дизайн был изобретен Бернхардом Шмидтом в 1930 году.
Некоторые известные примеры - телескоп Сэмюэля Осчина (ранее Паломар Шмидт), Британский телескоп Шмидта и ESO Шмидта; они были основным источником фотографических изображений всего неба с 1950 по 2000 год, когда на смену пришли электронные детекторы. Недавний пример — искатель экзопланет космического телескопа «Кеплер» .
Другими родственными конструкциями являются камера Райта и телескоп Лурье-Хоутона .
Камера Шмидта была изобретена эстонско-немецким оптиком Бернхардом Шмидтом в 1930 году. [1] Ее оптические компоненты представляют собой простое в изготовлении сферическое главное зеркало и асферическую корректирующую линзу , известную как корректирующая пластина Шмидта, расположенную в центре камеры. кривизна главного зеркала. Пленка или другой детектор помещается внутри камеры в главном фокусе. Конструкция известна тем, что обеспечивает очень быстрое фокусное расстояние , одновременно контролируя кому и астигматизм . [2]
Камеры Шмидта имеют очень сильно изогнутые фокальные плоскости , поэтому пленка, пластина или другой детектор должны быть соответственно изогнуты. В некоторых случаях детектор выполняют изогнутым; в других плоских носителях механически принимают форму фокальной плоскости за счет использования удерживающих зажимов или болтов или применения вакуума . Иногда используется выравниватель поля , в своей простейшей форме — плоско-выпуклая линза перед пленочной пластинкой или детектором. Поскольку в этой конструкции пластина корректора находится в центре кривизны главного зеркала, длина трубы для широкоугольного телескопа может быть очень большой. [3] Существуют также недостатки, связанные с препятствием для держателя пленки или детектора, установленного в фокусе на середине узла трубки, блокируется небольшое количество света и происходит потеря контрастности изображения из-за дифракционных эффектов. Препятствие и его опорная конструкция. [4]
Пластина корректора Шмидта представляет собой асферическую линзу , которая корректирует сферическую аберрацию , вносимую сферическим главным зеркалом конструкций телескопов Шмидта или Шмидта -Кассегрена . Она была изобретена Бернхардом Шмидтом в 1931 году [6] , хотя, возможно, она была независимо изобретена финским астрономом Юрьё Вяйсяля в 1924 году ( в результате ее иногда называют камерой Шмидта-Вяйсяля ). [7] Первоначально Шмидт представил его как часть широкоугольного фотографического катадиоптрического телескопа — камеры Шмидта. В настоящее время он используется в нескольких других конструкциях телескопов, объективах камер и системах проекции изображений, в которых используется сферическое главное зеркало.
Пластины корректора Шмидта работают, потому что они представляют собой асферические линзы со сферической аберрацией, которая равна сферическим главным зеркалам, перед которыми они расположены, но противоположна им. Они расположены в центре кривизны « C » зеркал для чистой камеры Шмидта и сразу за главным фокусом для камеры Шмидта-Кассегрена . Корректор Шмидта толще посередине и по краям. Это корректирует пути света, так что свет, отраженный от внешней части зеркала, и свет, отраженный от внутренней части зеркала, попадают в один и тот же общий фокус « F ». Корректор Шмидта корректирует только сферическую аберрацию. Это не меняет фокусное расстояние системы.
Пластины корректора Шмидта могут быть изготовлены разными способами. Самый простой метод, получивший название «классический подход» [8] , предполагает непосредственную обработку корректора путем шлифовки и полировки асферической формы в плоскую стеклянную заготовку с использованием инструментов специальной формы и размера. Этот метод требует высокой квалификации и подготовки от инженера-оптика, создающего корректор. [8] [9]
Сам Шмидт разработал вторую, более изящную схему изготовления сложной фигуры, необходимой для корректирующей пластины. [10] Тонкий стеклянный диск с идеально отполированной аккуратной плоской поверхностью с обеих сторон помещался на тяжелую жесткую металлическую кастрюлю. Верхняя поверхность кастрюли по краю стеклянного диска была отшлифована под точным углом или фаской в зависимости от коэффициента упругости конкретного типа используемого стекла. Стеклянная пластина была приклеена к нижнему краю кастрюли. Затем использовался вакуумный насос для откачки воздуха между кастрюлей и стеклом через небольшое отверстие в центре кастрюли до тех пор, пока не было достигнуто определенное отрицательное давление. Из-за этого стеклянная пластина слегка деформировалась. Затем открытая верхняя поверхность стекла была отшлифована и отполирована до сферической формы. [8] Когда вакуум был снят, нижняя поверхность пластины вернулась к своей первоначальной плоской форме, в то время как верхняя поверхность имела асферическую фигуру, необходимую для пластины корректора Шмидта. Метод вакуумной обработки Шмидта сегодня используется редко. Удерживать форму с помощью постоянного вакуума сложно, а ошибки уплотнительного кольца и даже загрязнения за пластиной могут привести к оптическим ошибкам. [8] Стеклянная пластина также может сломаться, если ее согнуть настолько, что получится кривая для телескопов с фокусным соотношением f/2,5 или выше. [11] Кроме того, для быстрых фокусных чисел полученная кривая недостаточно точна и требует дополнительной ручной коррекции.
Третий метод, изобретенный в 1970 году для Celestron Томом Джонсоном и Джоном О'Рурком [8] [12] , использует вакуумную чашку с правильной формой кривой, предварительно сформированной в нижней части чаши, называемую «мастер-блоком». ". Верхняя открытая поверхность затем полируется, создавая корректор правильной формы после снятия вакуума. [8] Это устраняет необходимость поддерживать форму путем применения точного вакуума и позволяет массово производить корректирующие пластины одинаковой формы. [9]
Технические трудности, связанные с производством пластин-корректоров Шмидта, побудили некоторых дизайнеров, таких как Дмитрий Дмитриевич Максутов и Альберт Бауэрс , предложить альтернативные конструкции с использованием более традиционных линз -корректоров мениска . [13]
Из-за широкого поля зрения камера Шмидта обычно используется в качестве инструмента для съемки в исследовательских программах, в которых необходимо охватить большую часть неба. К ним относятся астрономические исследования , поиск комет и астероидов , а также патрулирование новых звезд .
Кроме того, камеры Шмидта и их производные конструкции часто используются для слежения за искусственными спутниками Земли .
Первые относительно большие телескопы Шмидта были построены в Гамбургской и Паломарской обсерваториях незадолго до Второй мировой войны . Между 1945 и 1980 годами по всему миру было построено еще около восьми больших (1 метр и больше) телескопов Шмидта. [14]
Одной особенно известной и продуктивной камерой Шмидта является телескоп Ошина Шмидта в Паломарской обсерватории , построенный в 1948 году. Этот инструмент использовался в обзоре неба Паломарской обсерватории Национального географического общества (POSS, 1958), обзоре POSS-II, Паломар-Лейденском исследовании. (астероид) Исследования и другие проекты.
Европейская южная обсерватория с 1-метровым телескопом Шмидта в Ла Силья и Совет научных исследований Великобритании с 1,2-метровым телескопом Шмидта в обсерватории Сайдинг-Спринг провели совместный обзор неба в дополнение к первому Паломарскому обзору неба, но сосредоточив внимание на южном полушарии. . Технические усовершенствования, достигнутые в ходе этого исследования, способствовали разработке Второго обзора неба Паломарской обсерватории (POSS II). [15]
Телескоп, используемый в Обсерватории Лоуэлла по поиску околоземных объектов (LONEOS), также является камерой Шмидта. Телескоп Шмидта обсерватории Карла Шварцшильда — самая большая камера Шмидта в мире.
Телескоп Шмидта находился в центре спутника Hipparcos (1989–1993) Европейского космического агентства . Это использовалось в обзоре Hipparcos, который нанес на карту расстояния более миллиона звезд с беспрецедентной точностью: оно включало 99% всех звезд до 11 звездной величины . Сферическое зеркало, использованное в этом телескопе, было чрезвычайно точным; если масштабировать его до размеров Атлантического океана , неровности на его поверхности будут иметь высоту около 10 см. [16]
Фотометр «Кеплер» , установленный на космическом телескопе НАСА «Кеплер» (2009–2018 гг.), — самая большая камера Шмидта, запущенная в космос.
В 1977 году в обсерватории Йеркса небольшой телескоп Шмидта был использован для определения точного оптического положения планетарной туманности NGC 7027, чтобы можно было сравнить фотографии и радиокарты объекта. [17]
Начиная с начала 1970-х годов Celestron продавала 8-дюймовую камеру Шмидта. Камера была сфокусирована на заводе и изготовлена из материалов с низким коэффициентом расширения, поэтому ее никогда не придется фокусировать в полевых условиях. Ранние модели требовали, чтобы фотограф вырезал и проявлял отдельные кадры 35-миллиметровой пленки, поскольку держатель пленки мог удерживать только один кадр пленки. Было выпущено около 300 фотоаппаратов Celestron Schmidt.
Система Шмидта была популярна и использовалась наоборот в телевизионных проекционных системах, особенно в конструкции Адвента Генри Клосса . [18] Большие проекторы Шмидта использовались в театрах, но для домашнего использования и других небольших площадок были созданы системы размером всего 8 дюймов.
В 1930-х годах Шмидт заметил, что пластину корректора можно заменить простой апертурой в центре кривизны зеркала для медленной камеры (с высоким численным коэффициентом f). Такая конструкция была использована для создания рабочей модели Palomar Schmidt в масштабе 1/8 с полем зрения 5°. [19] Этой конфигурации был присвоен ретроним « безлинзовый Шмидт».
Юрьё Вяйсяля первоначально разработал «астрономическую камеру», похожую на «камеру Шмидта» Бернхарда Шмидта, но ее конструкция не была опубликована. Вяйсяля упомянул об этом в конспектах лекций в 1924 году с примечанием: «проблемная сферическая фокальная плоскость». Как только Вяйсяля увидел публикацию Шмидта, он сразу же пошел дальше и решил проблему сглаживания поля в конструкции Шмидта, поместив двояковыпуклую линзу немного перед держателем пленки. Полученная система известна как камера Шмидта-Вяйсяля или иногда как камера Вяйсяля .
В 1940 году Джеймс Бейкер из Гарвардского университета модифицировал конструкцию камеры Шмидта, включив в нее выпуклое вторичное зеркало, которое отражало свет обратно к основному. Затем фотопластину установили рядом с первичной звездой, обращенной к небу. Этот вариант называется камерой Бейкера-Шмидта.
В конструкции Бейкера-Нанна, разработанной Бейкером и Джозефом Наннами , корректирующая пластина камеры Бейкера-Шмидта заменяется небольшой тройной корректирующей линзой, расположенной ближе к фокусу камеры. В нем использовалась пленка шириной 55 мм, полученная по технологии Cinemascope 55. [20] [21] Дюжина камер Бейкера-Нанна с диафрагмой f/0,75 и 20-дюймовой апертурой — каждая весом 3,5 тонны, включая многоосное крепление, позволяющее ей следить за спутниками в небе — использовались Смитсоновской астрофизической обсерваторией для отслеживания искусственных спутников. с июня 1958 г. [22] до середины 1970-х гг. [23]
Камера Мерсенна – Шмидта состоит из вогнутого параболоидного главного зеркала, выпуклого сферического вторичного зеркала и вогнутого сферического третичного зеркала. Первые два зеркала (конфигурация Мерсенна) выполняют ту же функцию корректирующей пластинки обычного Шмидта. Эта форма была изобретена Полом в 1935 году. [24] В более поздней статье Бейкера [25] была представлена конструкция Пола-Бейкера, аналогичная конфигурация, но с плоской фокальной плоскостью. [26]
Добавление плоского вторичного зеркала под углом 45 ° к оптической оси конструкции Шмидта создает телескоп Шмидта-Ньютона .
Добавление выпуклого вторичного зеркала к конструкции Шмидта, направляющего свет через отверстие в главном зеркале, создает телескоп Шмидта-Кассегрена .
Последние две конструкции популярны среди производителей телескопов, поскольку они компактны и используют простую сферическую оптику.
Краткий список известных камер Шмидта и/или камер с большой апертурой.
{{cite magazine}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )- включает спутниковое отслеживание Бейкера-Нанна