Телескоп -рефлектор (также называемый рефлектором ) — это телескоп , в котором используется одно или комбинация изогнутых зеркал , которые отражают свет и формируют изображение . Телескоп-рефлектор был изобретен в 17 веке Исааком Ньютоном в качестве альтернативы телескопу-рефрактору , конструкция которого в то время страдала от серьезной хроматической аберрации . Хотя телескопы-рефлекторы создают и другие типы оптических аберраций , их конструкция позволяет использовать объективы очень большого диаметра . Почти все основные телескопы, используемые в астрономических исследованиях, являются рефлекторами. Используется множество вариантов форм, а в некоторых используются дополнительные оптические элементы для улучшения качества изображения или размещения изображения в механически выгодном положении. Поскольку в телескопах-рефлекторах используются зеркала , их конструкцию иногда называют катоптрическим телескопом .
Со времен Ньютона и до 1800-х годов само зеркало делалось из металла – обычно из зеркального металла . К этому типу относились первые конструкции Ньютона и самый большой телескоп XIX века, Левиафан из Парсонстауна с металлическим зеркалом шириной 6 футов (1,8 м). В 19 веке новый метод с использованием блока стекла, покрытого очень тонким слоем серебра, на рубеже веков стал становиться все более популярным. Обычные телескопы, которые привели к появлению телескопов-рефлекторов Кроссли и Гарварда, которые помогли завоевать лучшую репутацию телескопов-рефлекторов, поскольку конструкции металлических зеркал были известны своими недостатками. В основном металлические зеркала отражали только около 2/3 света , и металл тускнел . После многократной полировки и матирования зеркало могло потерять необходимую точную форму.
Телескопы-отражатели стали чрезвычайно популярны в астрономии, и многие известные телескопы, такие как космический телескоп Хаббл , и популярные любительские модели используют эту конструкцию. Кроме того, принцип телескопа отражения был применен к другим длинам электромагнитных волн, и, например, рентгеновские телескопы также используют принцип отражения для создания оптики, формирующей изображение .
Идея о том, что изогнутые зеркала ведут себя как линзы, восходит, по крайней мере, к трактату Альхазена по оптике XI века, работам, которые были широко распространены в латинских переводах в Европе раннего Нового времени . [2] Вскоре после изобретения телескопа- рефрактора Галилей , Джованни Франческо Сагредо и другие, вдохновленные своими знаниями принципов работы изогнутых зеркал, обсудили идею создания телескопа, использующего зеркало в качестве объектива, формирующего изображение . [3] Были сообщения, что болонец Чезаре Караваджи построил такое зеркало около 1626 года, а итальянский профессор Никколо Зукки в более поздней работе писал, что он экспериментировал с вогнутым бронзовым зеркалом в 1616 году, но сказал, что оно не дало удовлетворительного изображения. . [3] Потенциальные преимущества использования параболических зеркал , в первую очередь уменьшение сферической аберрации без хроматической аберрации , привели к появлению множества предложенных конструкций телескопов-рефлекторов. [4] Наиболее известным из них является Джеймс Грегори , опубликовавший новаторскую конструкцию «отражающего» телескопа в 1663 году. Прошло десять лет (1673 г.), прежде чем ученый-экспериментатор Роберт Гук смог построить этот тип телескопа, который стал известный как григорианский телескоп . [5] [6] [7]
Через пять лет после того, как Грегори спроектировал свой телескоп, и за пять лет до того, как Гук построил первый такой григорианский телескоп, Исаак Ньютон в 1668 году построил свой собственный телескоп-рефлектор, который общепризнан как первый телескоп-рефлектор . [8] В нем использовалось сферически отшлифованное металлическое главное зеркало и небольшое диагональное зеркало в оптической конфигурации, которая стала известна как ньютоновский телескоп .
Несмотря на теоретические преимущества конструкции рефлектора, сложность конструкции и плохие характеристики используемых в то время металлических зеркал-зеркал означали, что им потребовалось более 100 лет, чтобы они стали популярными. Многие достижения в области телескопов-рефлекторов включали совершенствование изготовления параболических зеркал в 18 веке, [9] стеклянные зеркала с серебряным покрытием в 19 веке (построенные Леоном Фуко в 1858 году), [10] долговечные алюминиевые покрытия в 20 веке. века [11] сегментировали зеркала , чтобы обеспечить больший диаметр, и активную оптику, чтобы компенсировать гравитационную деформацию. Новшеством середины 20-го века стали катадиоптрические телескопы, такие как камера Шмидта , в которых в качестве основных оптических элементов используются как сферическое зеркало, так и линза (называемая корректирующей пластиной), в основном используемые для получения изображений в широком поле зрения без сферической аберрации.
В конце 20-го века была разработана адаптивная оптика и технология удачной визуализации для преодоления проблем со зрением , а телескопы-рефлекторы повсеместно используются в космических телескопах и во многих типах устройств формирования изображений космических кораблей .
Изогнутое главное зеркало — это основной оптический элемент телескопа-рефлектора, который создает изображение в фокальной плоскости. Расстояние от зеркала до фокальной плоскости называется фокусным расстоянием . Здесь может быть расположена пленка или цифровой датчик для записи изображения, или может быть добавлено вторичное зеркало для изменения оптических характеристик и/или перенаправления света на пленку, цифровые датчики или окуляр для визуального наблюдения.
Главное зеркало в большинстве современных телескопов представляет собой цельный стеклянный цилиндр , передняя поверхность которого отшлифована до сферической или параболической формы. Тонкий слой алюминия наносится на зеркало в вакууме , образуя зеркало с высокой отражающей способностью на первой поверхности .
В некоторых телескопах используются главные зеркала другой конструкции. Расплавленное стекло вращается, чтобы сделать его поверхность параболоидной, и продолжает вращаться, пока оно остывает и затвердевает. (См. Вращающаяся печь .) Полученная форма зеркала приближается к желаемой форме параболоида, которая требует минимальной шлифовки и полировки для достижения точной необходимой формы. [12]
Телескопы-рефлекторы, как и любая другая оптическая система, не дают «идеальных» изображений. Необходимость отображать объекты на расстояниях до бесконечности, просматривать их на разных длинах волн света, а также требование иметь какой-либо способ просмотра изображения, создаваемого главным зеркалом, означает, что в оптической конструкции отражающего телескопа всегда есть некоторый компромисс.
Поскольку главное зеркало фокусирует свет в общую точку перед своей отражающей поверхностью, почти все конструкции телескопов-отражателей имеют вторичное зеркало , держатель пленки или детектор рядом с этой фокальной точкой, частично препятствующий попаданию света в главное зеркало. Это не только приводит к некоторому уменьшению количества света, собираемого системой, но также приводит к потере контрастности изображения из-за дифракционных эффектов препятствия, а также дифракционных всплесков, вызванных большинством вторичных опорных структур. [13] [14]
Использование зеркал позволяет избежать хроматических аберраций , но они вызывают другие типы аберраций . Простое сферическое зеркало не может привести свет от удаленного объекта в общий фокус, поскольку отражение световых лучей, падающих на зеркало вблизи его края, не сходится с теми, которые отражаются от ближайшего к центру зеркала, - дефект, называемый сферической аберрацией . Чтобы избежать этой проблемы, в большинстве телескопов-рефлекторов используются зеркала параболической формы , которые могут фокусировать весь свет в одном фокусе. Параболические зеркала хорошо работают с объектами вблизи центра создаваемого ими изображения (свет распространяется параллельно оптической оси зеркала ), но ближе к краю того же поля зрения они страдают от внеосевых аберраций: [15] [16]
Существуют конструкции телескопов-рефлекторов, в которых используются модифицированные зеркальные поверхности (например, телескоп Ричи-Кретьена ) или какая-либо форма корректирующей линзы (например, катадиоптрические телескопы ), которые исправляют некоторые из этих аберраций.
.jpg/1280px-James_Webb_Space_Telescope_Revealed_(26832090085).jpg)
Почти все крупные астрономические телескопы исследовательского уровня являются рефлекторами. На это есть несколько причин:
Григорианский телескоп , описанный шотландским астрономом и математиком Джеймсом Грегори в его книге 1663 года Optica Promota , использует вогнутое вторичное зеркало, которое отражает изображение обратно через отверстие в главном зеркале. Это создает вертикальное изображение, полезное для наземных наблюдений. Некоторые небольшие зрительные трубы до сих пор устроены таким образом. Есть несколько крупных современных телескопов, использующих григорианскую конфигурацию, например, Ватиканский телескоп передовых технологий , Магеллановы телескопы , Большой бинокулярный телескоп и Гигантский Магелланов телескоп .
Ньютоновский телескоп был первым успешным телескопом-рефлектором, построенным Исааком Ньютоном в 1668 году. Обычно он имеет параболоидное главное зеркало, но при фокусном отношении около f / 10 или более сферического главного зеркала может быть достаточно для высокого визуального разрешения. Плоское вторичное зеркало отражает свет в фокальную плоскость сбоку от верхней части трубы телескопа. Это одна из самых простых и наименее дорогих конструкций для данного размера первичного элемента, и она популярна среди производителей телескопов-любителей как самодельный проект.
Телескоп Кассегрена ( иногда называемый «Классическим Кассегреном») был впервые опубликован в 1672 году по проекту, приписываемому Лорану Кассегрену . Он имеет параболическое главное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, которое отражает свет обратно вниз через отверстие в основном. Эффект складывания и расхождения вторичного зеркала создает телескоп с большим фокусным расстоянием при короткой длине трубы.
Телескоп Ричи -Кретьена , изобретенный Джорджем Уиллисом Ричи и Анри Кретьеном в начале 1910-х годов, представляет собой специализированный рефлектор Кассегрена, который имеет два гиперболических зеркала (вместо параболического главного зеркала). Он лишен комы и сферических аберраций в почти плоской фокальной плоскости, если первичная и вторичная кривизна правильно определены , что делает его хорошо подходящим для широкоугольных и фотографических наблюдений. [18] Почти каждый профессиональный телескоп-рефлектор в мире имеет конструкцию Ричи-Кретьена.
Включение третьего изогнутого зеркала позволяет исправить оставшееся искажение, астигматизм, по схеме Ричи-Кретьена. Это обеспечивает гораздо большее поле зрения.
Конструкция телескопа Кассегрена Далла -Киркхэма была создана Горацием Даллом в 1928 году и получила название в статье, опубликованной в журнале Scientific American в 1930 году после дискуссии между астрономом-любителем Алланом Киркхэмом и Альбертом Г. Ингаллсом, тогдашним редактором журнала. В нем используется вогнутое эллиптическое главное зеркало и выпуклое сферическое вторичное зеркало. Хотя эту систему легче измельчать, чем классическую систему Кассегрена или Ричи-Кретьена, она не корректирует внеосевую кому. Кривизна поля на самом деле меньше классической Кассегрена. Поскольку это менее заметно при более длинных фокусных расстояниях , объективы Далла-Киркхэма редко бывают светосильнее f/15.
Существует несколько конструкций, которые пытаются избежать препятствия падающему свету путем устранения вторичного света или перемещения любого вторичного элемента с оптической оси главного зеркала , обычно называемых внеосевыми оптическими системами .
Гершеловский рефлектор назван в честь Уильяма Гершеля , который использовал эту конструкцию для создания очень больших телескопов, включая 40-футовый телескоп в 1789 году. В гершелевском рефлекторе главное зеркало наклонено, поэтому голова наблюдателя не блокирует падающий свет. Хотя это приводит к геометрическим аберрациям, Гершель использовал эту конструкцию, чтобы избежать использования вторичного ньютоновского зеркала, поскольку металлические зеркала того времени быстро тускнели и могли достигать отражательной способности только 60%. [19]
Вариант Кассегрена, телескоп Шифшпиглера («наклонный» или «наклонный отражатель») использует наклонные зеркала, чтобы вторичное зеркало не отбрасывало тень на главное. Однако при устранении дифракционных картин это приводит к усилению комы и астигматизма. С этими дефектами можно справиться при больших фокусных расстояниях — большинство шифшпиглеров используют диафрагму f/15 или больше, что ограничивает полезные наблюдения Луной и планетами. Распространен ряд вариаций с разным количеством зеркал разных типов. Стиль Куттера (названный в честь его изобретателя Антона Куттера ) использует одну вогнутую первичную линзу, выпуклую вторичную линзу и плоско-выпуклую линзу между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью, когда это необходимо (это случай катадиоптрического Шифшпиглера ) . В одном из вариантов мульти-шифшпиглера используются вогнутая первичная обмотка, выпуклая вторичная обмотка и параболическая третичная обмотка. Одним из интересных аспектов некоторых шифшпиглеров является то, что одно из зеркал может участвовать в пути света дважды — каждый путь света отражается по разным меридиональным путям.
Телескопы Стевика-Пола [20] представляют собой внеосевые версии трехзеркальных систем Пола [21] с добавленным плоским диагональным зеркалом. Выпуклое вторичное зеркало расположено сбоку от света, попадающего в телескоп, и расположено афокально так, чтобы направлять параллельный свет на третичное зеркало. Вогнутое третичное зеркало расположено ровно в два раза дальше от стороны входящего луча, чем выпуклое вторичное, а его собственный радиус кривизны удален от вторичного. Поскольку третичное зеркало получает параллельный свет от вторичного, оно формирует изображение в своем фокусе. Фокальная плоскость лежит внутри системы зеркал, но доступна глазу при включении плоской диагонали. Конфигурация Стевика-Пола приводит к тому, что все оптические аберрации равны нулю до третьего порядка, за исключением слегка изогнутой поверхности Петцваля.
Yolo был разработан Артуром С. Леонардом в середине 1960-х годов. [22] Как и Шифшпиглер, это беспрепятственный наклонный телескоп-рефлектор. Оригинальное Йоло состоит из главного и вторичного вогнутых зеркал одинаковой кривизны и одинакового наклона к главной оси. Большинство Yolos используют тороидальные отражатели . Конструкция Йоло устраняет кому, но оставляет значительный астигматизм, который уменьшается за счет деформации вторичного зеркала с помощью какой-либо формы деформирующего ремня или, альтернативно, полировки тороидальной фигуры во вторичном. Как и в случае с Шифшпиглерами, было разработано множество вариаций Йоло. Необходимая тороидальная форма может быть полностью или частично передана главному зеркалу. В оптических сборках с большим фокусным расстоянием как первичное, так и вторичное зеркало можно оставить сферическими, а между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью добавляется очковая корректирующая линза ( катадиоптрическая Йоло ). Добавление выпуклого длиннофокусного третичного зеркала приводит к конфигурации Леонарда Солано . Телескоп Солано не содержит торических поверхностей.
В одной конструкции телескопа используется вращающееся зеркало, состоящее из жидкого металла в лотке, который вращается с постоянной скоростью. Когда лоток вращается, жидкость образует параболоидную поверхность практически неограниченного размера. Это позволяет создавать очень большие зеркала телескопов (более 6 метров), но их использование ограничено зенитными телескопами .
В конструкции с прямым фокусом вторичная оптика не используется, доступ к изображению осуществляется в фокусе главного зеркала . В центре внимания находится какая-то конструкция для крепления пленочной пластинки или электронного детектора. Раньше в очень больших телескопах наблюдатель сидел внутри телескопа в «клетке наблюдения», чтобы напрямую просматривать изображение или управлять камерой. [23] Сегодня ПЗС- камеры позволяют удаленно управлять телескопом практически из любой точки мира. Пространство, доступное в режиме основного фокуса, сильно ограничено из-за необходимости не загораживать падающий свет. [24]
Радиотелескопы часто имеют конструкцию с прямым фокусом. Зеркало заменено металлической поверхностью для отражения радиоволн , а наблюдатель — антенной .
В телескопах, построенных по схеме Кассегрена или других подобных конструкциях, изображение формируется за главным зеркалом, в фокусе вторичного зеркала . Наблюдатель смотрит через заднюю часть телескопа, или сзади установлена камера или другой инструмент. Фокус Кассегрена обычно используется в любительских телескопах или небольших исследовательских телескопах. Однако для больших телескопов с соответственно большими инструментами инструмент в фокусе Кассегрена должен двигаться вместе с телескопом при его вращении; это предъявляет дополнительные требования к прочности опорной конструкции инструмента и потенциально ограничивает движение телескопа во избежание столкновения с препятствиями, такими как стены или оборудование внутри обсерватории.
Конструкция Нэсмита аналогична конструкции Кассегрена, за исключением того, что свет не направляется через отверстие в главном зеркале ; вместо этого третье зеркало отражает свет в сторону телескопа, что позволяет установить тяжелые инструменты. Это очень распространенная конструкция в больших исследовательских телескопах. [25]
Добавление дополнительной оптики к телескопу в стиле Нэсмита для подачи света (обычно через ось склонения ) к фиксированной точке фокусировки, которая не перемещается при переориентации телескопа, дает фокус куде (от французского слова «локоть»). [26] Фокус куде дает более узкое поле зрения, чем фокус Нэсмита [26] и используется с очень тяжелыми инструментами, которым не требуется широкое поле зрения. Одним из таких приложений являются спектрографы высокого разрешения с большими коллимирующими зеркалами (в идеале того же диаметра, что и главное зеркало телескопа) и очень длинными фокусными расстояниями. Такие инструменты не выдерживали перемещения и добавления зеркал к световому пути для формирования шлейфа куде , направляющего свет в фиксированное положение к такому инструменту, расположенному на наблюдательной площадке или под ней (и обычно построенному как неподвижная неотъемлемая часть наблюдательной площадки). здание обсерватории) был единственным вариантом. 60 -дюймовый телескоп Хейла (1,5 м), телескоп Хукера , 200-дюймовый телескоп Хейла , телескоп Шейна и телескоп Харлана Дж. Смита были построены с использованием приборов куде-фокуса. Разработка эшельных спектрометров позволила проводить спектроскопию высокого разрешения с использованием гораздо более компактного прибора, который иногда можно успешно установить в фокусе Кассегрена. Поскольку в 1980-х годах были разработаны недорогие и достаточно стабильные монтировки для телескопов alt-az с компьютерным управлением, конструкция Нэсмита в целом вытеснила фокус Куде для больших телескопов.
Для инструментов, требующих очень высокой устойчивости или очень больших и громоздких, желательно устанавливать инструмент на жесткую конструкцию, а не перемещать его вместе с телескопом. Хотя для передачи всего поля зрения потребуется стандартный фокус Куде, спектроскопия обычно предполагает измерение только нескольких дискретных объектов, таких как звезды или галактики. Поэтому можно собирать свет от этих объектов с помощью оптических волокон в телескопе, размещая инструмент на произвольном расстоянии от телескопа. Примеры спектрографов с оптоволокном включают спектрографы «охоты за планетами» HARPS [27] или ESPRESSO . [28]
Кроме того, гибкость оптических волокон позволяет собирать свет из любой фокальной плоскости; например, спектрограф HARPS использует фокус Кассегрена 3,6-метрового телескопа ESO [27] , в то время как спектрограф с основным фокусом подключен к главному фокусу телескопа Subaru . [29]
