Telescop reflectorizant - Reflecting telescope

Telescop reflectorizant Newtonian / Cassegrain de 24 inch convertibil expus la Institutul Franklin

Un telescop reflectorizant (numit și reflector ) este un telescop care folosește o singură oglindă sau o combinație de oglinzi curbate care reflectă lumina și formează o imagine . Telescopul reflectorizant a fost inventat în secolul al XVII-lea de Isaac Newton ca o alternativă la telescopul refractant care, la acea vreme, era un design care suferea de aberații cromatice severe . Deși telescoapele reflectorizante produc alte tipuri de aberații optice , este un design care permite obiective cu diametru foarte mare . Aproape toate telescoapele majore utilizate în cercetarea astronomiei sunt reflectoare. Telescoapele reflectorizante sunt disponibile în multe variante de design și pot utiliza elemente optice suplimentare pentru a îmbunătăți calitatea imaginii sau pentru a plasa imaginea într-o poziție avantajoasă din punct de vedere mecanic. Deoarece telescoapele reflectante folosesc oglinzi , designul este uneori denumit telescop catoptric .

De pe vremea lui Newton și până în anii 1800, oglinda în sine a fost făcută din metal - de obicei speculum metalic . Acest tip a inclus primele modele ale lui Newton și chiar și cele mai mari telescoape din secolul al XIX-lea, Leviathan din Parsonstown, cu o oglindă metalică de 1,8 metri lățime. În secolul al XIX-lea, o nouă metodă care utilizează un bloc de sticlă acoperit cu un strat foarte subțire de argint a început să devină mai populară la sfârșitul secolului. Telescoapele obișnuite care au condus la telescoapele reflectorizante Crossley și Harvard, care au contribuit la stabilirea unei reputații mai bune pentru telescoapele reflectorizante, deoarece proiectele oglinzilor metalice au fost remarcate pentru dezavantajele lor. În principal, oglinzile metalice reflectau doar aproximativ 23 din lumină, iar metalul s-ar păni . După mai multe lustruiri și șlefuiri, oglinda își poate pierde figura necesară.

Telescoapele reflectorizante au devenit extrem de populare pentru astronomie și multe telescoape celebre, cum ar fi telescopul spațial Hubble , și modelele populare de amatori folosesc acest design. În plus, principiul telescopului de reflecție a fost aplicat altor lungimi de undă electromagnetice și, de exemplu, telescoapele cu raze X utilizează și principiul de reflecție pentru a face optică de formare a imaginii .

Istorie

O replică a celui de-al doilea telescop reflectorizant al lui Newton pe care l-a prezentat Societății Regale în 1672
Marele telescop al lui Birr, Leviatanul din Parsonstown. Resturi moderne ale oglinzii și structurii de susținere.

Ideea că oglinzile curbate se comportă ca lentile datează cel puțin de la tratatul de optică al secolului al XI-lea al lui Alhazen , lucrări care fuseseră diseminate pe scară largă în traducerile latine din Europa modernă timpurie . La scurt timp după invenția telescopului refractar , Galileo , Giovanni Francesco Sagredo și alții, stimulați de cunoștințele lor despre principiile oglinzilor curbe, au discutat ideea construirii unui telescop folosind o oglindă ca obiectiv care formează imaginea. Au fost raportate că Bolognese Cesare Caravaggi a construit una în jurul anului 1626 și profesorul italian Niccolò Zucchi , într-o lucrare ulterioară, a scris că a experimentat cu o oglindă de bronz concavă în 1616, dar a spus că nu produce o imagine satisfăcătoare. Avantajele potențiale ale utilizării oglinzilor parabolice , în primul rând reducerea aberației sferice fără aberație cromatică , au dus la numeroase modele propuse pentru telescoape reflectorizante. Cel mai notabil fiind James Gregory , care a publicat un design inovator pentru un telescop „reflectorizant” în 1663. Aveau să treacă zece ani (1673) înainte ca omul de știință experimental Robert Hooke să poată construi acest tip de telescop, care a devenit cunoscut sub numele de Telescop gregorian .

În general, lui Isaac Newton i s- a atribuit construirea primului telescop reflectorizant în 1668. A folosit o oglindă primară din metal sferic și o mică oglindă diagonală într-o configurație optică care a ajuns să fie cunoscută sub numele de telescop newtonian .

În ciuda avantajelor teoretice ale designului reflectorului, dificultatea construcției și performanța slabă a oglinzilor metalice speculum utilizate în acel moment au însemnat că au durat peste 100 de ani pentru ca acestea să devină populare. Multe dintre progresele în telescoapele reflectorizante au inclus perfecțiunea fabricării oglinzilor parabolice în secolul al XVIII-lea, oglinzilor din sticlă acoperite cu argint în secolul al XIX-lea (construite de Léon Foucault în 1858), acoperirilor de aluminiu de lungă durată în secolul al XX-lea, oglinzilor segmentate pentru a permite diametre mai mari și optică activă pentru a compensa deformarea gravitațională. O inovație de la mijlocul secolului al XX-lea a fost telescoapele catadioptrice , cum ar fi camera Schmidt , care utilizează atât o oglindă sferică, cât și un obiectiv (numit placă de corecție) ca elemente optice primare, utilizate în principal pentru imagini pe câmp larg fără aberații sferice.

Sfârșitul secolului al XX-lea a cunoscut dezvoltarea opticii adaptive și a imaginii norocoase pentru a depăși problemele de vizualizare , iar telescoapele reflectorizante sunt omniprezente pe telescoapele spațiale și pe multe tipuri de dispozitive de imagine a navelor spațiale .

Considerații tehnice

O oglindă primară curbată este elementul optic de bază al telescopului reflector care creează o imagine la planul focal. Distanța de la oglindă la planul focal se numește distanță focală . Filmul sau un senzor digital pot fi amplasate aici pentru a înregistra imaginea sau se poate adăuga o oglindă secundară pentru a modifica caracteristicile optice și / sau pentru a redirecționa lumina către film, senzori digitali sau un ocular pentru observare vizuală.

Oglinda primară din majoritatea telescoapelor moderne este compusă dintr-un cilindru solid de sticlă a cărui suprafață frontală a fost măcinată până la o formă sferică sau parabolică . Un strat subțire de aluminiu este depus sub vid pe oglindă, formând o primă oglindă de suprafață foarte reflectantă .

Unele telescoape folosesc oglinzi primare care sunt fabricate diferit. Sticla topită este rotită pentru a-și face suprafața paraboloidă și este menținută în rotație în timp ce se răcește și se solidifică. (Vezi Cuptor rotativ .) Forma oglinzii rezultată se apropie de forma paraboloidă dorită, care necesită șlefuire și lustruire minime pentru a ajunge la cifra exactă necesară.

Erori optice

Telescoapele reflectorizante, la fel ca orice alt sistem optic, nu produc imagini „perfecte”. Nevoia de a imagina obiecte la distanțe până la infinit, de a le vizualiza la diferite lungimi de undă ale luminii, împreună cu cerința de a avea un mod de a vizualiza imaginea pe care o produce oglinda primară, înseamnă că există întotdeauna un compromis în designul optic al unui telescop reflectorizant.

O imagine a lui Sirius A și Sirius B de către telescopul spațial Hubble , care prezintă vârfuri de difracție și inele de difracție concentrice .

Deoarece oglinda primară focalizează lumina într-un punct comun în fața propriei sale suprafețe reflectorizante, aproape toate proiectele de telescop reflectorizant au o oglindă secundară , suport de film sau detector în apropierea acelui punct focal care împiedică parțial lumina să ajungă la oglinda primară. Acest lucru nu numai că determină o oarecare reducere a cantității de lumină pe care o colectează sistemul, ci și o pierdere a contrastului în imagine datorită efectelor de difracție ale obstrucției, precum și ale vârfurilor de difracție cauzate de majoritatea structurilor secundare de susținere.

Utilizarea oglinzilor evită aberațiile cromatice, dar acestea produc alte tipuri de aberații . O simplă oglindă sferică nu poate aduce lumina dintr-un obiect îndepărtat într-un focar comun, deoarece reflexia razelor de lumină care lovesc oglinda de lângă marginea sa nu converg cu cele care reflectă din apropierea centrului oglinzii, un defect numit aberație sferică . Pentru a evita această problemă, majoritatea telescoapelor reflectante folosesc oglinzi în formă parabolică , o formă care poate focaliza toată lumina către un focar comun. Oglinzile parabolice funcționează bine cu obiecte aflate în apropierea centrului imaginii pe care o produc (lumină care circulă paralel cu axa optică a oglinzii ), dar spre marginea aceluiași câmp vizual suferă aberații în afara axei:

  • Coma - o aberație în care sursele punctuale (stelele) din centrul imaginii sunt focalizate într-un punct, dar de obicei apare ca pete radiale „asemănătoare unei comete” care se înrăutățesc spre marginile imaginii.
  • Curbă de câmp - Cel mai bun plan de imagine este în general curbat, care poate să nu corespundă formei detectorului și să conducă la o eroare de focalizare pe câmp. Uneori este corectat de o lentilă de aplatizare a câmpului.
  • Astigmatism - o variație azimutală a focalizării în jurul diafragmei care determină imaginile sursei punctuale în afara axei să pară eliptice. Astigmatismul nu este de obicei o problemă într-un câmp vizual îngust , dar într-o imagine de câmp larg se înrăutățește rapid și variază patru în funcție de unghiul de câmp.
  • Distorsiune - Distorsiunea nu afectează calitatea imaginii (claritate), dar afectează formele obiectelor. Uneori este corectat prin procesarea imaginilor.

Există proiecte de telescop reflectorizant care utilizează suprafețe de oglindă modificate (cum ar fi telescopul Ritchey – Chrétien ) sau o formă de lentilă de corectare (cum ar fi telescoapele catadioptrice ) care corectează unele dintre aceste aberații.

Utilizare în cercetarea astronomică

Oglinda principală asamblată la Goddard Space Flight Center , mai 2016.

Aproape toate telescoapele astronomice mari de cercetare sunt reflectoare. Există mai multe motive pentru aceasta:

  • Reflectoarele funcționează într-un spectru mai larg de lumină, deoarece anumite lungimi de undă sunt absorbite atunci când trec prin elemente de sticlă precum cele găsite într-un refractor sau într-un telescop catadioptric .
  • Într-o lentilă , întregul volum de material trebuie să fie lipsit de imperfecțiuni și neomogenități, în timp ce într-o oglindă, o singură suprafață trebuie să fie perfect lustruită.
  • Lumina cu lungimi de undă diferite se deplasează printr-un mediu diferit de vid cu viteze diferite. Acest lucru provoacă aberație cromatică . Reducerea acestui nivel la niveluri acceptabile implică, de obicei, o combinație de două sau trei lentile cu dimensiunea diafragmei (a se vedea acromat și apocromat pentru mai multe detalii). Prin urmare, costul acestor sisteme variază semnificativ cu dimensiunea diafragmei. O imagine obținută dintr-o oglindă nu suferă aberație cromatică pentru început, iar costul oglinzii variază mult mai modest cu dimensiunea sa.
  • Există probleme structurale implicate în fabricarea și manipularea lentilelor cu deschidere mare. Deoarece un obiectiv poate fi ținut în poziție doar de marginea sa, centrul unui obiectiv mare se va lăsa din cauza gravitației , distorsionând imaginea pe care o produce. Cea mai mare dimensiune practică a obiectivului dintr-un telescop refractar este de aproximativ 1 metru. În schimb, o oglindă poate fi susținută de întreaga parte opusă feței sale reflectorizante, permițând proiecte de telescop reflectorizante care pot depăși căderea gravitațională. Cele mai mari proiecte de reflectoare depășesc în prezent diametrul de 10 metri.

Proiecte de telescop reflectorizante

gregorian

Calea luminii într-un telescop gregorian.

Telescopul gregorian , descris de scoțian astronom și matematician James Gregory în 1663 cartea sa Optica Promota , folosește o oglindă concavă secundară care reflectă partea din spate a imaginii printr - o gaură în oglindă primară. Aceasta produce o imagine verticală, utilă pentru observații terestre. Unele scopuri mici de identificare sunt încă construite în acest fel. Există mai multe telescoape mari , moderne , care utilizează o configurație gregorian , cum ar fi Vaticanul Tehnologie avansată Telescopul , la telescoape Magellan , The Large Telescope Binocular , iar Gigant Magellan telescopul .

Newtonian

Calea luminii într-un telescop newtonian.

Telescopul newtonian a fost primul telescop care reflectă cu succes, completat de Isaac Newton în 1668. Acesta are , de obicei , o oglindă primară paraboloid , dar la raporturi focale de f / 8 sau mai mult o oglindă sferică primară poate fi suficientă pentru rezoluție vizuală ridicată. O oglindă secundară plană reflectă lumina către un plan focal în partea superioară a tubului telescopului. Este unul dintre cele mai simple și mai puțin costisitoare modele pentru o anumită dimensiune de primar și este popular printre producătorii de telescoape amatori ca proiect de construcție a casei.

Designul Cassegrain și variațiile sale

Calea luminii într-un telescop Cassegrain.

Telescopul Cassegrain (uneori numit „Classic Cassegrain“) a fost publicat pentru prima dată într - un design 1672 atribuit Laurent Cassegrain . Are o oglindă primară parabolică și o oglindă secundară hiperbolică care reflectă lumina înapoi printr-o gaură din primar. Efectul de pliere și divergență al oglinzii secundare creează un telescop cu o distanță focală mare, având în același timp o lungime scurtă a tubului.

Ritchey – Chrétien

Ritchey-Chretien telescop, inventat de George Willis Ritchey si Henri Chrétien la începutul anilor 1910, este un reflector Cassegrain specializat care are două oglinzi hiperbolice ( în loc de un primar parabolice). Este liber de comă și aberația sferică la un plan focal aproape plat dacă curbura primară și secundară sunt în mod corespunzător gândit , făcându - l potrivit pentru câmp larg și observații fotografice. Aproape fiecare telescop reflector profesional din lume este de design Ritchey – Chrétien.

Anastigmat cu trei oglinzi

Includerea unei a treia oglinzi curbate permite corectarea distorsiunii rămase, astigmatism, din designul Ritchey – Chrétien. Acest lucru permite câmpuri vizuale mult mai mari.

Dall – Kirkham

Designul telescopului Dall – Kirkham Cassegrain a fost creat de Horace Dall în 1928 și a preluat numele într-un articol publicat în Scientific American în 1930 în urma discuțiilor dintre astronomul amator Allan Kirkham și Albert G. Ingalls, editorul revistei de la acea vreme. Folosește o oglindă primară eliptică concavă și o secundară sferică convexă . În timp ce acest sistem este mai ușor de măcinat decât un sistem clasic Cassegrain sau Ritchey – Chrétien, acesta nu corectează coma în afara axei. Curbura câmpului este de fapt mai mică decât un Cassegrain clasic. Deoarece acest lucru este mai puțin vizibil la raporturi focale mai lungi , Dall-Kirkhams sunt rareori mai rapide decât f / 15.

Proiecte off-axis

Există mai multe modele care încearcă să evite obstrucționarea luminii primite prin eliminarea elementului secundar sau prin deplasarea oricărui element secundar de pe axa optică a oglinzii primare , denumite în mod obișnuit sisteme optice off-axis .

Herschelian

Căi ușoare
Telescop herschelian
Telescop Schiefspiegler

Herschelian Reflectorul este numit dupa William Herschel , care a folosit acest design pentru a construi telescoape foarte mari , inclusiv telescopul de 40 de picioare în 1789. În reflector Herschelian oglinda primară este înclinat astfel încât capul observatorului nu blochează lumina de intrare. Deși acest lucru introduce aberații geometrice, Herschel a folosit acest design pentru a evita utilizarea unei oglinzi secundare newtoniene, deoarece oglinzile speculum metalice din acea vreme s-au pătat rapid și nu puteau atinge decât 60% reflectivitate.

Schiefspiegler

O variantă a lui Cassegrain, telescopul Schiefspiegler („înclinat” sau „reflector oblic”) folosește oglinzi înclinate pentru a evita ca oglinda secundară să arunce o umbră asupra primarului. Cu toate acestea, eliminând tiparele de difracție, aceasta duce la o creștere a comei și a astigmatismului. Aceste defecte devin gestionabile la raporturi focale mari - majoritatea Schiefspieglerilor folosesc f / 15 sau mai mult, ceea ce tinde să restrângă observația utilă la Lună și planete. O serie de variații sunt comune, cu un număr diferit de oglinzi de diferite tipuri. Stilul Kutter (numit după inventatorul său Anton Kutter ) folosește o singură lentilă primară concavă, o secundară convexă și o lentilă plan-convexă între oglinda secundară și planul focal, atunci când este nevoie (acesta este cazul Schiefspiegler catadioptric ). O variantă a unui multi-schiefspiegler utilizează un primar concav, secundar convex și un terțiar parabolic. Unul dintre aspectele interesante ale unor Schiefspieglers este că una dintre oglinzi poate fi implicată de două ori în calea luminii - fiecare cale luminoasă se reflectă de-a lungul unei căi meridionale diferite.

Stevick-Paul

Telescoapele Stevick-Paul sunt versiuni off-axis ale sistemelor Paul cu 3 oglinzi cu o oglindă diagonală plană adăugată. O oglindă secundară convexă este plasată chiar în partea laterală a luminii care intră în telescop și este poziționată afocal astfel încât să trimită lumină paralelă către terțiar. Oglinda terțiară concavă este poziționată exact de două ori mai departe față de latura fasciculului de intrare, așa cum a fost secundara convexă și propria rază de curbură este îndepărtată de secundar. Deoarece oglinda terțiară primește lumină paralelă din secundar, formează o imagine în focalizarea sa. Planul focal se află în sistemul de oglinzi, dar este accesibil ochiului cu includerea unei diagonale plane. Configurația Stevick-Paul are ca rezultat toate aberațiile optice totalizând zero până la ordinul trei, cu excepția suprafeței Petzval care este ușor curbată.

Yolo

Yolo a fost dezvoltat de Arthur S. Leonard la mijlocul anilor 1960. La fel ca Schiefspiegler, este un telescop reflector neobstrucționat, înclinat. Yolo original constă dintr-o oglindă concavă primară și secundară, cu aceeași curbură și aceeași înclinare spre axa principală. Majoritatea Yolos utilizează reflectoare toroidale . Designul Yolo elimină coma, dar lasă un astigmatism semnificativ, care este redus prin deformarea oglinzii secundare printr-o formă de cablaj de deformare sau, alternativ, lustruirea unei figuri toroidale în secundară. La fel ca Schiefspieglers, au fost urmărite multe variante Yolo. Cantitatea necesară de formă toroidală poate fi transferată în totalitate sau parțial în oglinda primară. În ansamblurile optice cu raporturi focale mari, atât oglinda primară, cât și cea secundară pot fi lăsate sferice și se adaugă o lentilă de corectare a ochelarilor între oglinda secundară și planul focal ( Yadi catadioptric ). Adăugarea unei oglinzi terțiare convexe, cu focalizare lungă duce la configurația Solano a lui Leonard . Telescopul Solano nu conține nicio suprafață torică.

Telescoape cu oglindă lichidă

Un proiect al telescopului folosește o oglindă rotativă constând dintr-un metal lichid într-o tavă care se învârte la viteză constantă. Pe măsură ce tava se rotește, lichidul formează o suprafață paraboloidă de dimensiuni esențial nelimitate. Acest lucru permite realizarea de oglinzi telescopice foarte mari (peste 6 metri), dar din păcate nu pot fi direcționate, întrucât sunt întotdeauna orientate vertical.

Planuri focale

Focus principal

Un design de telescop cu focalizare primară. Observatorul / camera se află la punctul focal (prezentat ca un roșu X).

Într-un design de focalizare principală nu se utilizează optică secundară, imaginea este accesată la punctul focal al oglinzii primare . La punctul focal se află un anumit tip de structură pentru menținerea unei plăci de film sau a unui detector electronic. În trecut, în telescoape foarte mari, un observator stătea în interiorul telescopului într-o „cușcă de observare” pentru a vizualiza direct imaginea sau pentru a opera o cameră. În prezent camerele CCD permit operarea la distanță a telescopului de aproape oriunde în lume. Spațiul disponibil la focalizarea primară este sever limitat de necesitatea de a evita obstrucționarea luminii primite.

Telescoapele radio au adesea un design de focalizare principal. Oglinda este înlocuită de o suprafață metalică pentru reflectarea undelor radio , iar observatorul este o antenă .

Focus Cassegrain

Design Cassegrain

Pentru telescoapele construite după designul Cassegrain sau alte modele conexe, imaginea se formează în spatele oglinzii primare, la punctul focal al oglinzii secundare . Un observator vizualizează prin partea din spate a telescopului sau o cameră sau un alt instrument este montat pe partea din spate. Focalizarea Cassegrain este utilizată în mod obișnuit pentru telescoapele amatoare sau pentru telescoapele de cercetare mai mici. Cu toate acestea, pentru telescoapele mari cu instrumente corespunzătoare de mari dimensiuni, un instrument la focalizarea Cassegrain trebuie să se deplaseze cu telescopul pe măsură ce se rotește; acest lucru impune cerințe suplimentare privind rezistența structurii de susținere a instrumentului și limitează potențial mișcarea telescopului pentru a evita coliziunea cu obstacole precum pereții sau echipamentele din interiorul observatorului.

Nasmyth și coudé focus

Calea luminii Nasmyth / coudé.

Nasmyth

Designul Nasmyth este similar cu Cassegrain, cu excepția faptului că lumina nu este direcționată printr-o gaură din oglinda primară; în schimb, o a treia oglindă reflectă lumina pe partea laterală a telescopului pentru a permite montarea instrumentelor grele. Acesta este un design foarte comun în telescoapele mari de cercetare.

Coudé

Adăugarea de optică suplimentară la un telescop în stil Nasmyth pentru a livra lumina (de obicei prin axa de declinare ) la un punct de focalizare fix care nu se mișcă pe măsură ce telescopul este reorientat, oferă un focus coudé (din cuvântul francez pentru cot). Focalizarea coudé oferă un câmp vizual mai îngust decât focalizarea Nasmyth și este utilizată cu instrumente foarte grele, care nu au nevoie de un câmp vizual larg. O astfel de aplicație este spectrografele de înaltă rezoluție care au oglinzi mari de colimare (ideal cu același diametru ca oglinda primară a telescopului) și distanțe focale foarte mari. Astfel de instrumente nu au putut rezista la mișcare și adăugarea de oglinzi la calea luminii pentru a forma un tren coudé , redirecționând lumina într-o poziție fixă ​​către un astfel de instrument găzduit pe sau sub podeaua de observare (și, de obicei, construit ca o parte integrantă nemișcabilă a clădirea observatorului) a fost singura opțiune. Hale telescop de 60 inch (1,5 m), Hooker telescopul , 200 inch Hale telescopul , Shane telescopul , și Harlan J. Smith telescopul toate au fost construite cu instrumente coude focare. Dezvoltarea spectrometrelor echelle a permis spectroscopia de înaltă rezoluție cu un instrument mult mai compact, care poate fi uneori montat cu succes pe focalizarea Cassegrain. Deoarece în anii 1980 au fost dezvoltate suporturi telescopice alt-az ieftine și stabile în mod adecvat controlate de computer, designul Nasmyth a înlocuit în general focalizarea coudé pentru telescoapele mari.

Spectrografe alimentate cu fibre

Pentru instrumentele care necesită o stabilitate foarte mare sau care sunt foarte mari și greoaie, este de dorit să montați instrumentul pe o structură rigidă, mai degrabă decât să îl mutați cu telescopul. În timp ce transmiterea întregului câmp vizual ar necesita o focalizare coudé standard, spectroscopia implică de obicei măsurarea doar a câtorva obiecte discrete, cum ar fi stelele sau galaxiile. Prin urmare, este fezabil să colectăm lumină din aceste obiecte cu fibre optice la telescop, plasând instrumentul la o distanță arbitrară de telescop. Exemple de spectrografe alimentate cu fibre includ spectrografele de vânătoare de planete HARPS sau ESPRESSO .

În plus, flexibilitatea fibrelor optice permite colectarea luminii din orice plan focal; de exemplu, spectrograful HARPS folosește focalizarea Cassegrain a telescopului ESO 3,6 m , în timp ce spectrograful Focus Focus este conectat la focalizarea primară a telescopului Subaru .

Vezi si

Referințe

linkuri externe