Камера Шмидта , также называемая телескопом Шмидта , представляет собой катадиоптрический астрофотографический телескоп , предназначенный для обеспечения широкого поля зрения с ограниченными аберрациями . Конструкция была изобретена Бернхардом Шмидтом в 1930 году.
Некоторые известные примеры — телескоп Сэмюэля Ошина (ранее Palomar Schmidt), UK Schmidt Telescope и ESO Schmidt; они были основным источником фотографических изображений всего неба с 1950 по 2000 год, когда на смену им пришли электронные детекторы. Недавний пример — искатель экзопланет космического телескопа Kepler .
Другими родственными конструкциями являются камера Райта и телескоп Лурье–Хофтона .
Камера Шмидта была изобретена эстонско-немецким оптиком Бернхардом Шмидтом в 1930 году. [1] Ее оптические компоненты — это простое в изготовлении сферическое главное зеркало и асферическая корректирующая линза , известная как корректирующая пластина Шмидта, расположенная в центре кривизны главного зеркала. Пленка или другой детектор помещается внутри камеры в главном фокусе. Конструкция отличается тем, что позволяет получать очень быстрые фокусные отношения , контролируя при этом кому и астигматизм . [2]
Камеры Шмидта имеют очень сильно изогнутые фокальные плоскости , поэтому требуется, чтобы пленка, пластина или другой детектор были соответственно изогнуты. В некоторых случаях детектор делается изогнутым; в других плоская среда механически подгоняется под форму фокальной плоскости с помощью удерживающих зажимов или болтов, или путем применения вакуума . Иногда используется полевой выравниватель , в своей простейшей форме плосковыпуклая линза перед пленочной пластиной или детектором. Поскольку в этой конструкции корректорная пластина находится в центре кривизны первичного зеркала, длина трубы может быть очень большой для широкоугольного телескопа. [3] Также существуют недостатки, связанные с наличием препятствия в виде держателя пленки или детектора, установленного в фокусе на полпути вверх по узлу трубы, небольшое количество света блокируется, и происходит потеря контрастности изображения из-за дифракционных эффектов препятствия и его опорной конструкции. [4]
Корректорная пластина Шмидта — это асферическая линза , которая исправляет сферическую аберрацию , вносимую сферическим главным зеркалом телескопов Шмидта или Шмидта–Кассегрена . Она была изобретена Бернхардом Шмидтом в 1931 году [6] , хотя, возможно, была независимо изобретена финским астрономом Юрьё Вяйсяля в 1924 году (иногда называемая камерой Шмидта–Вяйсяля в результате). [7] Первоначально Шмидт представил ее как часть широкоугольного фотографического катадиоптрического телескопа , камеры Шмидта. Сейчас она используется в нескольких других конструкциях телескопов, объективах камер и системах проекции изображений, которые используют сферическое главное зеркало.
Пластины корректора Шмидта работают, потому что они являются асферическими линзами со сферической аберрацией, которая равна, но противоположна сферической первичной аберрации, перед которой они размещены. Они размещены в центре кривизны « C » зеркал для чистой камеры Шмидта и сразу за основным фокусом для камеры Шмидта-Кассегрена . Корректор Шмидта толще в середине и по краям. Это корректирует световые пути, 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. Он не изменяет фокусное расстояние системы.
Пластины корректора Шмидта могут быть изготовлены многими способами. Самый простой метод, называемый «классическим подходом», [8] включает в себя непосредственное изготовление корректора путем шлифования и полировки асферической формы в плоскую стеклянную заготовку с использованием инструментов специальной формы и размера. Этот метод требует высокой степени мастерства и подготовки со стороны инженера-оптика, создающего корректор. [8] [9]
Сам Шмидт разработал вторую, более элегантную схему для создания сложной фигуры, необходимой для корректирующей пластины. [10] Тонкий стеклянный диск с идеально отполированной точной плоской поверхностью с обеих сторон помещался на тяжелый жесткий металлический поддон. Верхняя поверхность поддона по краю стеклянного диска шлифовалась под точным углом или скосом в зависимости от коэффициента упругости конкретного типа используемого стекла. Стеклянная пластина была запечатана на шлифованном крае поддона. Затем вакуумный насос использовался для откачки воздуха между поддоном и стеклом через небольшое отверстие в центре поддона до тех пор, пока не было достигнуто определенное отрицательное давление. Это заставило стеклянную пластину слегка деформироваться. Затем открытая верхняя поверхность стекла шлифовалась и полировалась сферически. [8] Когда вакуум был сброшен, нижняя поверхность пластины возвращалась к своей первоначальной плоской форме, в то время как верхняя поверхность имела асферическую фигуру, необходимую для корректирующей пластины Шмидта. Метод вакуумного формообразования Шмидта сегодня используется редко. Поддержание формы постоянным вакуумом затруднено, а ошибки в уплотнительном кольце и даже загрязнение за пластиной могут привести к оптическим ошибкам. [8] Стеклянная пластина также может сломаться, если ее согнуть достаточно сильно, чтобы образовать кривую для телескопов с фокусным отношением f/2,5 или больше. [11] Кроме того, для быстрых фокусных отношений 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 вакуумный поддон с правильной формой кривой, предварительно сформированной в нижней части поддона, называемой «мастер-блок». Верхняя открытая поверхность затем полируется до плоского состояния, создавая корректор правильной формы после того, как вакуум сбрасывается. [8] Это устраняет необходимость удерживать форму путем применения точного вакуума и позволяет производить в массовом порядке корректорные пластины той же точной формы. [9]
Технические трудности, связанные с производством пластин корректора Шмидта, побудили некоторых конструкторов, таких как Дмитрий Дмитриевич Максутов и Альберт Боуверс , придумать альтернативные конструкции с использованием более традиционных менисковых корректорных линз. [13]
Благодаря широкому полю зрения камера Шмидта обычно используется как инструмент для обследования, для исследовательских программ, в которых необходимо охватить большую часть неба. К ним относятся астрономические обследования , поиски комет и астероидов , а также патрулирование новых звезд .
Кроме того, камеры Шмидта и производные от них конструкции часто используются для слежения за искусственными спутниками Земли .
Первые относительно большие телескопы Шмидта были построены в Гамбургской обсерватории и Паломарской обсерватории незадолго до Второй мировой войны . Между 1945 и 1980 годами по всему миру было построено около восьми больших (1 метр и более) телескопов Шмидта. [14]
Одной из особенно известных и производительных камер Шмидта является телескоп Ошина-Шмидта в Паломарской обсерватории , построенный в 1948 году. Этот инструмент использовался в обзоре неба Паломарской обсерватории (POSS, 1958), обзоре POSS-II, обзоре неба Паломар-Лейден (астероидов) и других проектах Национального географического общества.
Европейская южная обсерватория с 1-метровым телескопом Шмидта в Ла-Силья и Научно-исследовательский совет Великобритании с 1,2-метровым телескопом Шмидта в обсерватории Сайдинг-Спринг провели совместный обзор неба, дополняющий первый обзор неба Паломар, но сосредоточившийся на южном полушарии. Технические усовершенствования, разработанные в ходе этого обзора, способствовали разработке Второго обзора неба Паломарской обсерватории (POSS II). [15]
Телескоп, используемый в Lowell Observatory Near-Earth-Object Search (LONEOS), также является камерой Шмидта. Телескоп Шмидта обсерватории Карла Шварцшильда является крупнейшей камерой Шмидта в мире.
Телескоп Шмидта был сердцем спутника Hipparcos (1989–1993) Европейского космического агентства . Он использовался в обзоре Hipparcos, который составил карту расстояний более миллиона звезд с беспрецедентной точностью: он включал 99% всех звезд до 11-й величины . Сферическое зеркало, используемое в этом телескопе, было чрезвычайно точным; если его масштабировать до размеров Атлантического океана , то неровности на его поверхности будут около 10 см в высоту. [16]
Фотометр «Кеплер» , установленный на космическом телескопе НАСА «Кеплер» (2009–2018), является крупнейшей камерой Шмидта, запущенной в космос.
В 1977 году в Йеркской обсерватории небольшой телескоп Шмидта был использован для определения точного оптического положения планетарной туманности NGC 7027, что позволило сравнить фотографии и радиокарты объекта. [17]
Начиная с начала 1970-х годов Celestron выпустила на рынок 8-дюймовую камеру Schmidt. Камера фокусировалась на заводе и была изготовлена из материалов с низким коэффициентом расширения, поэтому ее никогда не нужно было фокусировать в полевых условиях. Ранние модели требовали от фотографа нарезать и проявлять отдельные кадры 35-мм пленки, так как держатель пленки мог удерживать только один кадр пленки. Было выпущено около 300 камер Celestron Schmidt.
Система Шмидта была популярна, использовалась в обратном порядке для телевизионных проекционных систем, в частности, для конструкции Адвента Генри Клосса . [18] Большие проекторы Шмидта использовались в театрах, но системы размером всего 8 дюймов были созданы для домашнего использования и других небольших помещений.
В 1930-х годах Шмидт заметил, что пластину корректора можно заменить простой апертурой в центре кривизны зеркала для медленной (с высоким численным отношением диафрагмы) камеры. 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 изначально спроектировал «астрономическую камеру», похожую на «камеру Шмидта» Бернхарда Шмидта, но конструкция не была опубликована. Вяйсяля упомянул ее в своих лекциях в 1924 году со сноской: «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. Эта получившаяся 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 первичному. Фотопластинка затем устанавливалась рядом с первичным зеркалом, обращенным к небу. Этот вариант называется камерой Бейкера-Шмидта.
Конструкция Бейкера-Нанна, разработанная Бейкером и Джозефом Нанном , заменяет корректорную пластину камеры Бейкера-Шмидта на небольшую триплетную корректорную линзу, расположенную ближе к фокусу камеры. Она использовала 55-миллиметровую пленку, полученную из процесса киносъемки Cinemascope 55. [20] [21] Дюжина камер Бейкера-Нанна f/0.75 с 20-дюймовыми апертурами — каждая весом 3,5 тонны, включая многоосевое крепление, позволяющее ей следить за спутниками в небе — использовались Смитсоновской астрофизической обсерваторией для отслеживания искусственных спутников с июня 1958 года [22] до середины 1970-х годов. [23]
Камера Мерсенна-Шмидта состоит из вогнутого параболоидного первичного зеркала, выпуклого сферического вторичного зеркала и вогнутого сферического третичного зеркала. Первые два зеркала (конфигурация Мерсенна) выполняют ту же функцию корректирующей пластины обычного Шмидта. Эта форма была изобретена Полом в 1935 году. [24] Более поздняя статья Бейкера [25] представила конструкцию Пола-Бейкера, похожую конфигурацию, 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 пользуются популярностью у производителей телескопов, поскольку они компактны и используют простую сферическую оптику.
Краткий список примечательных камер Schmidt и/или камер с большой апертурой.
{{cite magazine}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )- включает спутниковое отслеживание Бейкера-Нанна