Оптические характеристики телескопов

Рассмотрим такие оптические характеристики телескопов, как фокусное расстояние, апертура телескопа (входной зрачок), выходной зрачок, относительное отверстие и увеличение телескопа. Все они имеют важное значение и значительно влияют на качество наблюдения.

Фокусное расстояние, апертура и выходной зрачок

Фокусное расстояние

Один из главных параметров телескопа — фокусное расстояние (F). Оно является мерой того, насколько сильно телескоп фокусирует свет. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше оптическая сила всей системы и тем сильнее она искривляет световые лучи.

В случае простой тонкой линзы или одиночного зеркала и объекта, находящегося на бесконечно большом расстоянии, фокусное расстояние совпадает с дистанцией от центра линзы (зеркала) до точки формирования изображения. Фокусное расстояние определяет масштаб изображения в фокальной плоскости телескопа.

Апертура телескопа (входной зрачок)

Апертура телескопа (D), или входной зрачок — диаметр светового пучка на входе в объектив. Апертура определяет способность телескопа собирать свет от интересуемого объекта. Минимальная апертура телескопа, которую я рекомендую использовать для астрономических наблюдений, — 70 мм. На темном небе с помощью даже такого небольшого телескопа можно наблюдать все объекты из каталога Мессье, а это более сотни галактик, туманностей, скоплений.

Апертура также является величиной, определяющей способность телескопа различать (разрешать) мелкие детали. Для оценки разрешающей способности в секундах дуги применяется очень простая формула — 140/D, где D — апертура телескопа в миллиметрах.

Выходной зрачок

Выходной зрачок — это диаметр светового пучка на выходе из окуляра. Чем больше размер выходного зрачка, тем ярче изображение, видимое в окуляр. При выходном зрачке более 7 мм изображение уже не становится ярче, так как свет идет мимо зрачка наблюдателя. Есть также и минимальное значение — 0,67 мм, при котором уже не добавятся новые детали в изображении. Предельное значение выходного зрачка — 0,5 мм; оно может применяться при наблюдении Луны, двойных звезд. Выходной зрачок можно рассчитать, разделив апертуру телескопа на его увеличение.

Галактика М 51 в созвездии Гончие Псы

Туманность М 57. Разница изображений при диаметрах выходного зрачка 6 и 3 миллиметра

Угловой размер Луны при наблюдении в телескоп с увеличением в 50 раз

Угловой размер Луны составляет 0.5 градуса. Если посмотреть на Луну в телескоп с увеличением в 500 раз, то ее видимый угловой размер составит 25 градусов. На расстоянии вытянутой руки таким же угловым размером будет обладать окружность размером около 20 см.

Увеличение телескопа

Увеличение телескопа — это мера способности телескопа приближать наблюдаемый объект. Например, Луну в телескоп с увеличением 384 раза вы увидите с расстояния всего 1000 км. Также параметр «увеличение телескопа» показывает, во сколько раз угловой размер объекта после окуляра больше углового размера объекта при наблюдении невооруженным глазом.

Набор окуляров Explore Scientific

Увеличение телескопа можно рассчитать, разделив фокусное расстояние телескопа на фокусное расстояние окуляра. Например, если фокусное расстояние телескопа 1000 мм, а у окуляра — 10 мм, то увеличение составляет 1000/10=100 раз. С помощью набора из нескольких окуляров можно подобрать оптимальное увеличение, подходящее для наблюдения конкретного объекта. Для тусклых протяженных туманностей и галактик применяется маленькое увеличение, а для Луны и планет — большое.

Также увеличение телескопа можно вычислить, разделив апертуру телескопа на выходной зрачок. Допустим, есть бинокль, на котором стерты все надписи. Измерить фокусное расстояние объектива и окуляра нет возможности. В этом случае можно измерить диаметр передней линзы и разделить его на диаметр выходного зрачка. Чтобы определить размер выходного зрачка, нужно поднести к окуляру бинокля светлую линейку и измерить диаметр сфокусированного кружка.

Минимальное увеличение телескопа составляет D/7, а максимальное — 1,5xD, где D — диаметр объектива (в мм). Цифра 7 в первой формуле — это диаметр человеческого зрачка в темноте, а 1,5 — это обратная величина от минимального выходного зрачка в 0,67 мм, при котором начинают проявляться дифракционные эффекты и ухудшается изображение.

Другой важной оптической характеристикой телескопа является относительное отверстие. Это отношение диаметра объектива телескопа к фокусному расстоянию. Записывается оно так: 1/k, где k — F/D. Например, если апертура телескопа составляет 100 мм, а фокусное расстояние 1000 мм, то относительное отверстие равно 1/10. Чем меньше знаменатель в дроби, тем ярче изображение в фокальной плоскости. Это особенно важно при астрофотографии. Например, телескоп с относительным отверстием 1/5 формирует изображение в 4 раза более яркое, чем телескоп 1/10.

Снимки туманности Ориона через телескопы с различными относительными отверстиями, но одинаковыми фокусными расстояниями и параметрами съемки

Пример №1

Есть два телескопа с апертурой 150 мм. У первого телескопа светосила выше и составляет f/5, а у второго — f/10. Наводим телескоп на туманность Ориона и ставим одинаковое увеличение, например 50 крат. Как вы думаете, при наблюдении в какой телескоп картинка будет ярче? Новичок обычно рассуждает так: раз светосила у телескопа выше, то и изображение как в фокальной плоскости, так и в окуляре будет ярче. Это действительно так, но при условии, что мы ставим один и тот же окуляр в каждый из этих телескопов. При одинаковом увеличении яркость изображения в этих телескопах будет полностью идентичной.

Величину k, равную отношению фокусного расстояния телескопа к апертуре, еще называют светосилой. Так, у телескопа с фокусным расстоянием 750 мм и диаметром 150 мм светосила равна 5. Также светосила часто выражается записью f/5 либо f5. Чем меньше значение k, тем выше светосила телескопа.

Важное пояснение. Ни светосила, ни относительное отверстие телескопа не оказывает прямого влияния на яркость наблюдаемого объекта в окуляр. Задача телескопа — направить свет, собранный апертурой, в глаз наблюдателя.

Пример №2

Еще один пример. Возьмем два телескопа, диаметр одного из которых составляет 75 мм, а другого — 150 мм. Фокусное расстояние у них одинаковое. Наводим телескопы на туманность Андромеды, смотрим на нее одним и тем же окуляром. Мы увидим, что изображение, передаваемое 150-миллиметровым телескопом, в 4 раза ярче, чем изображение 75-миллиметрового телескопа. Происходит так из-за того, что площадь 150-миллиметровой апертуры в 4 раза больше, чем 75-милимметровой.

Вид на туманность Андромеды в телескопы с одинаковым увеличением, но разной апертурой