Оптические схемы и виды телескопов
Все виды телескопов можно разделить на группы, в зависимости от оптической схемы. Оптическая схема телескопа — это комбинация оптических элементов (линз, зеркал), преобразующая световые пучки. Исходя из схемы, большинство телескопов можно разделить на:
Линзовые телескопы (рефракторы)
Рефрактор (от лат. refractus — преломленный) — телескоп, формирующий изображение с помощью линз. Исторически это первый телескоп, созданный человеком. Сохранились чертежи однолинзового телескопа авторства Леонардо да Винчи. Телескопическая эра астрономии началась в 1609 году, когда итальянский ученый Галилео Галилей впервые направил зрительную трубу в небо (сам телескоп годом ранее изобрел голландский очковый мастер Иоанн Липперсгей). В самых простых телескопах в качестве объектива используется одна линза, однако в современных рефракторах может быть до шести линз.
Телескоп Галилея
Одиночная линза вносит в изображение ряд искажений (аберраций). Вследствие того, что показатель преломления линзы находится в прямой зависимости от длины световой волны, возникает хроматическая аберрация.
Для уменьшения или устранения хроматизма применяют несколько линз из разных сортов стекла. Объективы, в которых хроматизм исправлен для лучей света двух различных длин волн, называют ахроматами, а для лучей трех и более длин волн — апохроматами. В отдельную группу следует вынести ED-рефракторы — телескопы, в которых хроматизм устранен лучше, чем в ахроматах, но хуже, чем в апохроматах. Такие телескопы пользуются популярностью у астрофотографов благодаря легкости их обслуживания и отличному качеству изображения.
Разложение света в призме и линзе
Одновременно с хроматизмом можно исправить и другую аберрацию — сферическую. Сферическая аберрации возникает из-за несовпадения фокусов для лучей света, проходящих на разной дистанции от оптической оси. Вторая линза в ахроматическом объективе способна устранить сферическую аберрацию.
Сферическая аберрации
Однолинзовые телескопы-рефракторы называют синглетами, двухлинзовые — дублетами, трехлинзовые — триплетами, а четырехлинзовые — квадруплетами. Установка дополнительных линз позволяет устранить другие виды искажений.
Главные достоинства линзового телескопа — простота обслуживания, а также насыщенное и контрастное изображение. Кроме того, расположение окулярного узла в таком телескопе позволяет осуществлять наблюдения с балкона или из окна. При использовании оборачивающей призмы изображение, видимое в окуляр, имеет правильную ориентацию, поэтому рефракторы хорошо подходят для наземных наблюдений.
К минусам линзового телескопа следует отнести остаточный хроматизм в рефракторах-ахроматах и высокую стоимость ЕО-телескопов и апохроматов. Кроме того, объективы таких телескопов не застрахованы от выпадения на них росы при резком падении температуры; для защиты их от запотевания применяется бленда-противоросник.
Зеркальные телескопы (рефлекторы)
Рефлектор — это телескоп, в котором в качестве объектива используется зеркало. Из-за отсутствия линзовых элементов зеркальный телескоп полностью свободен от хроматической аберрации. В зависимости от типов используемых зеркал рефлекторы относятся к разным системам.
Самая известная система зеркальных телескопов — система Ньютона. Первый зеркальный телескоп был изготовлен Исааком Ньютоном в 1668 году.
Рефлектор Исаака Ньютона
Принцип его действия следующий: главное вогнутое зеркало фокусирует и направляет лучи на небольшое плоское зеркало, отражающее свет вбок к окуляру. Плоское зеркало (диагональ) закрепляется на нескольких тонких металлических растяжках и закрывает часть главного зеркала, создавая центральное экранирование.
Схема телескопа системы Ньютона
Телескопы с центральным экранированием более 40 % не рекомендуются для визуальных наблюдений планет. Кроме того, тень от диагонального зеркала может мешать при дневных наблюдениях с низким увеличением.
Центральное экранирование по диаметру можно рассчитать, разделив малую ось диагонального зеркала на апертуру главного зеркала. Например, если апертура телескопа составляет 200 мм, а малая ось диагонального зеркала — 50 мм, то экранирование рассчитывается как 50/200 = 0,25, или 25 %. Чем больше центральное экранирование, тем хуже контраст изображения.
Растяжки, на которых закрепляется плоское зеркало, вносят «лучи» в изображение звезд. Чем толще растяжки, тем больше энергии перетекает из изображения объекта в свет от растяжек. Одна растяжка, удерживающая диагональное зеркало, дает один длинный луч; три растяжки дают шесть лучей, четыре растяжки — четыре луча. Можно совсем избавиться от лучиков, закрепив диагональное зеркало на кольцевой растяжке или прозрачной стеклянной пластине.
Туманность М 17 Омега в созвездии Стрелец. Заметны лучи от растяжек на ярких звездах
Так как изображение в телескопе Ньютона перевернутое, для наземных наблюдений нужен оборачивающий окуляр, или оборачивающая насадка.
Телескоп системы Ньютона проще и дешевле в изготовлении, чем аналогичный линзовый телескоп, так как у него только две рабочие поверхности. Однако телескоп системы Ньютона нуждается в периодической настройке зеркал (юстировке). Качественный светосильный телескоп системы Ньютона — это универсальный телескоп, подходящий как для визуальных наблюдений, так и для астрофотографии, но не очень подходящий для наблюдений с балкона или из окна..
В светосильных телескопах системы Ньютона необходимо использовать параболическое зеркало для устранения сферической аберрации. В телескопах с небольшим относительным отверстием главного зеркала (1/8) допускается сферическая форма отражающей поверхности, поскольку при таком относительном отверстии она практически не отличается от параболы.
Лучи в сферическом и параболическом зеркалах
Линзовые телескопы благодаря улучшенной светозащите и отсутствию центрального экранирования больше подходят для наблюдения земных объектов. Телескопам системы Ньютона также свойственна аберрация наклонных пучков света — кома. Она приводит к тому, что звезды по краям поля зрения выглядят как крошечные кометы, летящие к центру. Особенно кома заметна в параболических телескопах высокой светосилы (f/4... f/5). Для устранения комы используется специальный оптический аксессуар — корректор комы. Он устанавливается в фокусер перед окуляром или камерой, внося кому с противоположным знаком, тем самым звезды по всему полю зрения становятся точками.
Корректор комы Explorer Scientific
Фото без корректора комы и с корректором
Также к зеркальным телескопам относят систему Кассегрена (главное зеркало параболическое, вторичное — гипербола) и систему Ричи — Кретьена (главное и вторичное зеркала — гипербола). Во многих крупных обсерваториях установлены телескопы системы Ричи — Кретьена, в том числе и в космическом телескопе «Хаббл». В системе Ричи —Кретьена отсутствует кома, однако есть искривление фокальной плоскости, для устранения которой применяется линзовый полеспрямитель.
Схема телескопа Кассегрена
Телескоп «Хаббл»
Зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрики)
Катадиоптрик — это телескоп, в котором для формирования изображения применяются как линзы, так и зеркала. Во многих зеркально-линзовых телескопах главное зеркало — сферическое светосильное, а линзовый корректор исправляет сферическую аберрацию. Существуют катадиоптрики с полноапертурным корректором (схема Максутова — Кассегрена, Максутова — Ньютона, Шмидта — Кассегрена, Шмидта — Ньютона), а также субапертурным корректором (Клевцов, Бёрд — Джонс).
Современный зеркально-линзовый телескоп
От зеркальных телескопов катадиоптрики унаследовали центральное экранирование и отсутствие хроматизма. Катадиоптрики с полноапертурным корректором позволяют избавиться от растяжек благодаря диагональному или вторичному зеркалу, установленному на коррекционной пластине. В телескопах системы Максутова — Кассегрена вторичное зеркало может быть напылено прямо на мениск, что значительно упрощает конструкцию. Полноапертурный корректор препятствует загрязнению зеркальных поверхностей, однако закрытая труба увеличивает время термостабилизации — длительности приведения температуры оптики и воздуха внутри телескопа к температуре окружающей среды.
Оптические схемы катадиоптриков
Главный плюс кассегреновских телескопов — компактность и удобное расположение окулярного узла. Например, 127-миллиметровый Шмидт — Кассегрен имеет вес всего 2,5 кг, а аналогичный 130-миллиметровый зеркальный телескоп от того же производителя весит около 4 кг и длиннее в несколько раз.
