Астрономия

Оптические схемы телескопов:

Оптические схемы телескопов-рефлекторов

В таблице представлены наиболее известные оптические схемы телескопов-рефлекторов, применяющиеся в астрономии.

Система Ньютона

1 - парабола; 2 - плоскость (зеркало 1 можно делать сферическим при маленьком относительном отверстии)

Система Кассегрена

1 - парабола; 2 - гипербола (хорошее качество изображения при небольшом поле зрения)

Система Нессмита

1 - парабола; 2 - гипербола; 3 - плоскость

Система Грегори

1 - парабола; 2 - эллипс

Система Ломоносова

1 - парабола (зеркало 1 можно делать сферическим при маленьком относительном отверстии)

Система Ричи-Кретьена

1, 2 - гипербола; 3 - корректор (при использовании двухлинзового корректора дает большое поле с хорошим изображением)

Система Шварцшильда

1, 2 - гипербола (дает большое поле без астигматизма, но расстояние между зеркалами должно быть в 2 раза больше фокусного расстояния)

Система Максутова

1 - сфера; 2 - мениск с посеребренной центральной частью (мениск исправляет сферическую аберрацию главного зеркала; дает большое поле зрения с хорошим изображением; позволяет строить системы с большими относительными отверстиями)

Система Шмидта

1 - сфера; 2 - коррекционная пластина;3 - фотопластинка (коррекционная пластина исправляет сферическую аберрацию главного зеркала; дает большое поле зрения с хорошим изображением; позволяет строить системы с большими относительными отверстиями; фотопластинка 3 должна быть изогнута)

Система Мерсена

1 - парабола; 2 - парабола (не строит изображения - на выходе параллельный пучок света)

В первую очередь это системы Ньютона и Кассегрена .

Система Ньютона была изобретена Исааком Ньютоном в 1662 году. Это был первый зеркальный телескоп. В настоящее время эта система в профессиональной практике почти не применяется, но получила большое распространение среди астрономов-любителей. Основной недостаток (в случае крупного инструмента) - большая длина трубы телескопа и неудобное расположение наблюдателя на верхнем конце трубы. Достоинство, благодаря которому система получила распространение среди любителей - простота изготовления зеркал (главное зеркало в случае малых относительных отверстий - сфера; плоское зеркало может быть небольших размеров).

Система Кассегрена (1672 год) свободна от указанных недостатков. При том же фокусном расстоянии, что у телескопа системы Ньютона, труба телескопа будет в 2 раза короче. Это значительно сокращает стоимость, как самого телескопа, так и башни, в которой он установлен. Телескопы системы Кассегрена также распространены среди любителей астрономии.

Системы Нессмита, Грегори и Ломоносова не получили широкого распространения из-за своих особенностей. (Заметим, что фактически система Нессмита используется при работе в фокусе кудэ). У системы Нессмита лишняя по сравнению со схемой Кассегрена отражающая поверхность, у системы Грегори несколько большая длина трубы, у системы Ломоносова большие аберрации из-за того, что работа идет с внеосевыми лучами. По системе Ломоносова строят солнечные телескопы.

В 1922 году Ричи и Кретьен придумали схему, в котором ни одно из зеркал не в состоянии в отдельности строить изображения. Она получила название схема Ричи-Кретьена. Оба зеркала - гиперболические. Схема обладает очень хорошими характеристиками, но требует двухлинзового корректора, который исправляет астигматизм системы, значительно увеличивая поле зрения.

Большое распространение получили зеркально-линзовые системы. Например, системы Максутова и Шмидта. В системах Максутова и Шмидта главное зеркало - сфера и для исправления сферической аберрации служат мениск (Максутов) и особой формы линза (Шмидт). Качество изображения в этих системах очень хорошее при большом поле зрения. Однако входные линзовые элементы этих систем у крупных инструментов оказываются слишком велики, поэтому изготовление больших телескопов по этим схемам невозможно. Самый большой телескоп Максутова имеет диаметр мениска 70 см. Самый большой телескоп Шмидта имеет диаметр коррекционной пластины 134 см. Главное зеркало при этом имеет больший диаметр. Хотя схема Шмидта позволяет достичь гораздо больших значений относительного отверстия, она имеет и существенный недостаток - коррекционная пластина в классическом варианте располагается на удвоенном фокусном расстоянии от зеркала, а значит и длина трубы и диаметр купола должны быть в 2 раза больше, что существенно увеличивает стоимость системы.

Телескоп   из   очковых   стекол:

Что нужно для постройки телескопа из очковых стекол.

 Простейший телескоп-рефрактор.

   Для постройки телескопа потребуется очковое стекло силой в 1 диоптрию (фокусным расстоянием 1 м), которое представляет собой мениск (выпукло-вогнутую линзу) диаметром 60 - 80 мм, и может быть приобретено в магазинах по продаже и изготовлению очков. Необходимо обратить внимание на то, что линза должна иметь положительную оптическую силу, т. е. быть "собирающей", в отличие от "рассеивающих" стекол, которые не могут построить действительное изображение объекта. Что такое положительная линза, большинство из нас знает, так как все мы пользовались в детстве увеличительным стеклом для выжигания. При этом лучи Солнца фокусируются на расстоянии от линзы, равном фокусному. Очковое стекло будет служить объективом телескопа. Такой телескоп называется рефрактором от слова "рефракция", т. е. "преломление". В объективе телескопа-рефрактора происходит преломление лучей света, пришедших от объекта наблюдения, в результате чего они собираются в фокальной плоскости, где рассматриваются наблюдателем в окуляр, т. е. в лупу той или иной конструкции. В нашем случае окуляром может служить простое увеличительное стекло фокусным расстоянием 20 - 70 мм, объектив от фотоаппарата, окуляр от бинокля, зрительной трубы, микроскопа и т. д.

   Кроме объектива и окуляра потребуются несколько листов ватмана, клей (ПВА, столярный, эпоксидный), небольшое количество толстого и тонкого картона. Для изготовления штатива нужны будут рейки сечением примерно 25х15 мм, 5 мм фанера, обрезки дюймовой доски, несколько мелких шурупов, три длинных и один короткий болты М6 с гайками-барашками, клей.

   Если не удастся достать линзу в 1 диоптрию, можно использовать другую, учитывая при этом, что фокусное расстояние объектива будет равно:

   F (м) =1 м / оптическая сила в диоптриях.

 Например, для линзы в 0,75 диоптрии:

F = 1 м / 0,75 = 1,33 м.

   Нужно только учитывать, что слишком длинный телескоп будет неудобен в обращении, а короткофокусный объектив будет давать изображение неудовлетворительного качества. Из этих соображений целесообразно применить очковое стекло фокусом 0,6 - 1,5 м.

   Полезный совет: Очковые стекла обычно имеют метку в виде точки около центра, которая указывает оптический центр линзы. Он может значительно отличаться от геометрического центра, это учитывают при изготовлении очков (при обтачивании стекла). Желательно выбрать стекло, в котором оптический центр отличается от геометрического на небольшую величину.

С чего начать? Оправа, труба, окулярный узел. 

   Начинать лучше всего с изготовления оправы объектива (см. черт., поз. 1), диаметр которой, а, следовательно, и диаметр трубы, будет зависеть от размера приобретенного очкового стекла. Оправой будет служить трубка, склеенная из ватмана в несколько слоев. Внутренний диаметр оправы должен быть равен диаметру нашей линзы, а длина - 70 - 80 мм. Линза фиксируется двумя бумажными или картонными кольцами, которые плотно вставляются внутрь оправы, зажимая с двух сторон стекло. Оправа должна быть достаточно жесткой.

    Затем необходимо склеить из нескольких слоев ватмана главную трубу телескопа (поз. 2). Это можно сделать, наматывая листы на уже готовую оправу и обильно промазывая клеем внутреннюю поверхность бумаги. При этом нужно следить, чтобы бумага не перекашивалась. Длина трубы должна быть немного (на 150 - 200 мм) меньше фокусного расстояния объектива. Подвижная трубка (поз. 3) служит для фокусировки, т. е. для совмещения фокальных плоскостей объектива и окуляра. Она должна легко двигаться "на трении", но не болтаться. Ее склеиваем из ватмана аналогично главной трубе нашего телескопа.

 Оправу окуляра, конструкция которой будет зависеть от того, что мы применим для этой цели, можно вставить непосредственно в подвижную трубку, но лучше, особенно если диаметр окуляра мал, сделать несложный фокусировочный узел. Основой узла будет служить кольцо из фанеры (выпилить лобзиком и просверлить отверстие) или двух - трех слоев толстого картона. Узел работает "на трении", и конструкция его ясна из чертежа (поз. 4). Поверхность неподвижной трубки окулярного узла можно оклеить бархатом или сукном, для снижения трения, подвижную можно подобрать или выточить металлическую, а можно склеить из нескольких слоев не очень толстой, но плотной, гладкой бумаги. Ей необходимо придать достаточную жесткость.

    Передвижением подвижной трубки телескопа грубо совмещаются фокальные плоскости объектива и окуляра (при этом одну и ту же трубу можно использовать с разными объективами), а окулярный узел позволяет добиться точной фокусировки.

  Испытание телескопа.

 Его основные характеристики.

   Теперь несколько слов об испытании и настройке телескопа, его основных характеристиках. Прежде всего, скажу об увеличении, с которым мы будем работать. Увеличение телескопа равно фокусному расстоянию объектива, деленному на фокусное расстояние окуляра. Из этого видно, что, применяя разные окуляры, мы можем получать с одним и тем же объективом разные увеличения. Например, для окуляра с фокусным расстоянием 50 мм (нормальный объектив от фотоаппарата):

     1000 мм / 50 мм = 20 крат,

а для окуляра от микроскопа с фокусным расстоянием 10 мм:

   1000 мм / 10 мм = 100 крат.

    Может показаться, что, применяя длиннофокусные стекла и короткофокусные окуляры, можно добиться очень большого увеличения, однако, поэкспериментировав с телескопом из очковых стекол, мы очень скоро убедимся, что это не так. Несовершенство нашего объектива накладывает существенные ограничения. На практике мы сможем использовать построенный инструмент с 20 - 50 кратным увеличением. Этого достаточно для того, чтобы увидеть многое из того, что украшает ночное небо, но недоступно невооруженному глазу, например, яркие туманности, кольцо Сатурна, диск и спутники Юпитера, не говоря уже о захватывающих панорамах Луны.

    Итак, наш телескоп готов, клей просох, внутренние поверхности трубы и оправ зачернены тушью, и можно приступить к первым испытаниям. Совместив фокальные плоскости объектива и окуляра, и оперев трубу для устойчивости о подоконник, раму окна или другой предмет, попытаемся "навести на резкость" перемещением фокусировочной трубки с окуляром. Скорее всего, даже при наилучшей фокусировке изображение будет подернуто "дымкой". Это происходит потому, что только центральная часть очкового стекла строит неискаженное изображение. Для строительства телескопов-рефракторов с достаточно большими диаметрами применяют сложные объективы, в которых эти искажения, называемые аберрациями, исправляются. Ничего страшного, закрыв краевые части нашего объектива непрозрачным экраном, мы добьемся хорошего изображения. Такой экран называется диафрагмой (см. черт, поз. 5).Имеет смысл сделать несколько диафрагм - по числу окуляров, так как при малых увеличениях аберрации заметны меньше, а при больших - сильнее. Диафрагма изготовляется в виде кружка из картона с отверстием 10 - 30 мм посредине, красится в черный цвет и вставляется в оправу объектива перед очковым стеклом. При увеличениях 10 - 20 крат можно использовать 30мм диафрагму - это позволит увидеть больше слабых объектов (звезд и туманностей), при наблюдении Луны с увеличением 50 - 100 крат действующее отверстие объектива придется уменьшить до 15 - 10 мм. Во всех случаях увеличение и диаметр диафрагмы нужно будет определять опытным путем.

   Здесь мы подошли к другому важнейшему параметру телескопа - диаметру объектива. Этот параметр является основным и определяет такие характеристики, как проницающую силу и разрешающую способность инструмента. Первая характеристика указывает на возможность телескопа показывать слабые объекты и выражается в звездных величинах. Вторая - на способность разделять близко расположенные звезды или детали на дисках планет и выражается в угловых величинах - в секундах и долях секунды дуги. Для примера можно сказать, что угловой размер видимого диска Луны составляет около 30 минут, а человеческий глаз обладает разрешающей способностью 1 - 2 минуты. Наш же телескоп может иметь разрешающую способность около 10 секунд дуги, т.е., по крайней мере, в 6 - 10 раз выше, чем невооруженный глаз. Проницающая сила инструмента пропорциональна квадрату диаметра объектива, и, если принять размер зрачка человеческого глаза равным 7 мм, а диаметр входного отверстия телескопа - 20 мм, то наш простейший рефрактор позволит нам наблюдать звезды и другие светила примерно в 8 раз более слабые, чем невооруженным глазом. Желающих более подробно ознакомиться с этими и другими понятиями геометрической и физической оптики, принципами работы и особенностями различных систем телескопов отсылаем к перечню литературы в конце этой статьи.

  Простейший штатив.

   Теперь, когда наш телескоп построен и испытан, возникает необходимость в сооружении простой установки для того, чтобы наблюдения в него были достаточно комфортными. Дело в том, что даже при небольшом, 10 - 20 кратном увеличении, дрожание изображения делает наблюдение "с рук" практически невозможным. В этом мы очень скоро убедимся. Поэтому построим несложный штатив ( рис. 1   ), конструкция которого, в несколько усовершенствованном виде, заимствована из замечательной книги Ф.В. Рабиза "Космос у тебя дома".

   Штатив будет состоять из треноги и узла осей. Треногу соберем из реек сечение примерно 25х15 мм, соединив их между собой для жесткости деревянными перемычками. Это будут ножки штатива, которые нужно прикрепить к основанию треугольной формы с тремя прямоугольными выступами по углам при помощи длинных болтов М6 и гаек-барашков. Когда мы будем раскладывать штатив, то, зажимая гайки, мы сможем фиксировать ножки в требуемом положении.

   Узел осей ( см. рис.2   ) состоит из собственно осей - вертикальной и горизонтальной, планки с кольцами из фанеры для удержания трубы телескопа и импровизированного тормоза из двух фанерных кружков, который служит для фиксации трубы в нужном направлении. Вертикальная ось деревянная, точеная, подойдет тонкий черенок от садового инструмента, круглая ручка. Можно, конечно, применить и металлическую, например дюралевую трубку диаметром 20 - 25 мм. Горизонтальной осью будет служить болт М6 - М8, соединяющий обе половинки тормоза. Гайка-барашек служит для затягивания тормоза. Одна из половинок тормоза жестко крепится к вертикальной оси, другая соединена с планкой, к которой крепится труба. Труба фиксируется в фанерных кольцах деревянными клинышками, либо притягивается к планке хомутом. Труба балансируется относительно горизонтальной оси путем перемещения в удерживающих ее кольцах. Для надлежащей жесткости желательно собирать все деревянные части штатива на клею. Горизонтальная ось может передвигаться в отверстии основания вверх и вниз и фиксироваться в нужном направлении шплинтом. Это нужно для удобного расположения окулярного узла телескопа. Длина ножек штатива должна быть около 120 см, а длина вертикальной оси около 50 см. Чтобы ось сохраняла вертикальное положение и не имела большого люфта, необходимо увеличить толщину основания штатива дополнительными накладками из толстой фанеры. В каждом из кусочков фанеры можно выпилить или просверлить отверстие по диаметру оси, затем все это "нанизать" на ось и соединить на клею. В целом конструкция основания установки ясна из рис.3  .

 Наблюдения с телескопом.

    Несмотря на все несовершенство конструкции, наш скромный телескоп наверняка доставит его владельцу немало увлекательных минут. С его помощью можно будет увидеть кратеры и другие детали рельефа на Луне, спутники Юпитера, кольцо Сатурна, Большую туманность Ориона, Туманность Андромеды, звездные скопления и множество слабых звезд. При помощи солнечного экрана можно будет наблюдать пятна на Солнце. Нужно при этом помнить:

БЕЗ СОЛНЕЧНОГО СВЕТОФИЛЬТРА СМОТРЕТЬ НА СОЛНЦЕ ОПАСНО!

    В заключение хотелось бы пожелать читателям этой статьи, если они захотят построить себе несложный инструмент для первоначальных наблюдений, успеха, чистого звездного неба и не останавливаться на достигнутом. Как построить достаточно мощный телескоп, обладающий превосходными оптическими данными и пригодный для серьезных наблюдений - об этом читайте в следующей статье.