Глава 6. ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ И ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕСКОПОВ

§ 6.1. Однозеркальные системы рефлекторов

Присущий линзовым объективам хроматизм заставил оптиков и астрономов обратить внимание на зеркальные системы. Первый зеркальный телескоп практически осуществил И. Ньютон в 1668 г.

В однозеркальном телескопе используется одно вогнутое зеркало. Лишь оно одно изменяет сходимость пучка лучей. Другие оптические элементы, которые могут входить в состав однозеркального телескопа (плоские зеркала, призмы полного внутреннего отражения, плоскопараллельные пластинки — например светофильтры), не меняют сходимость лучей. Только вогнутое параболическое зеркало строит стигматичное изображение бесконечно удаленной точки, находящейся на его оптической оси. Поэтому в однозеркальных телескопах используется параболическое зеркало. Но если точка расположена в стороне от оптической оси параболического зеркала, то начинают сказываться кома и астигматизм. Аберрации одиночного параболического зеркала были рассмотрены в § 4.5,

В однозеркальном телескопе светоприемник помещается в фокальной плоскости параболического зеркала (рис. 6.1, а), неизбежно вызывая экранирование его центральной части. Если используется угловое поле то диаметр экранированной части составляет (без учета кассеты и крепления)

К так определенному значению IV надо прибавить некоторую величину а, учитывающую размер кассеты (которая всегда больше, чем фотопластинка) и ее крепление:

Считается допустимым экранирование 1/3 диаметра параболического зеркала. При этом светопотери, вызванные экранированием, невелики и частотноконтрастная характеристика изменяется

Рис. 6.1. (см. скан) Различные варианты оптических схем однозеркальных рефлекторов: схема главного фокуса (а), схема Ньютона с плоским зеркалом (б), схема Ньютона с призмой (в), кольцевой телескоп (г)

незначительно. В больших рефлекторах центральное экранирование, вызванное кассетой, много меньше диаметра зеркала.

Чтобы обеспечить удобство наблюдений, в небольших телескопах используется небольшое плоское диагональное зеркало. Оно перехватывает пучок лучей перед тем как тот соберется в фокусе параболического зеркала и отражает его в сторону без изменения сходимости (рис. 6.1,6). Такая схема была предложена а 1668 г. Ньютоном и называется схемой Ньютона, или рефлектором Ньютона. Контур такого плоского зеркала предпочтительно делать эллиптическим с тем, чтобы его проекция на фронт падающей волны была окружностью. В этом случае экранирование, вызванное им, будет минимальным. Для определения необходимого размера и положения плоского диагонального

Рис. 6.2. К определению положениям размеров диагонального зеркала в телескопе Ньютона

зеркала построим систему координат с началом в точке пересечения оптической оси с плоскостью диагонального зеркала (рис. 6.2). Расстояние отраженной фокальной плоскости от оптической оси должно несколько превышать радиус тубуса телескопа. Если диаметр главного зеркала а вынос фокальной плоскости за крайний полевой луч есть (считая то расстояние определяющее положение диагонального зеркала будет

Ограничимся обычно имеющим место случаем, когда угол между оптической осью и плоскостью диагонального зеркала равен 45°. Рассмотрим крайний полевой луч После отражения главным зеркалом он пойдет в направлении Обозначим угол между оптической осью и лучом через у. Очевидно, что

Введем обозначения (считая положительными). Легко показать, что

Тогда в системе координат координаты вершин эллипса

диагонального зеркала и его центра будут

а полуоси диагонального зеркала составят

Расстояние от вершины С главного зеркала до точки О пересечения оптической оси с диагональным зеркалом

Расчет может быть выполнен на микрокалькуляторах или по программе 6.1

Программа 6.1

Расчет диагонального зеркала в телескопе Ньютона

(см. скан)

Первоначальные засылки: диаметр главного зеркала фокусное расстояние вынос фокальной плоскости за падающий пучок лучей полевой угол (в градусах и их долях) Режим работы — градусы

После остановки на индикаторе высвечивается расстояние (считаемое вдоль оптической оси) от главного зеркала до диагонального. Вывод результатов:

Пример: Время счета около 25 с.

Если плоское диагональное зеркало в рефлекторе Ньютона с относительным отверстием А не является точной плоскостью, а имеет радиус кривизны и находится на расстоянии от фокуса, то оно, в соответствии с (4.102) и (2.2), вносит поперечный астигматизм

Чем дальше от фокуса расположено плоское зеркало, тем оно должно быть точнее.

Иногда в небольших малосветосильных телескопах Ньютона вместо диагонального зеркала применяют прямоугольную призму полного внутреннего отражения (см. рис. 6.1,а). Но призма переисправляет сферическую аберрацию и вносит хроматизм. Призма должна быть несколько большего размера, чем диагональное зеркало. Если она не округлена вокруг оптической оси, то ее углы, не выполняя никакой полезной работы, создают дополнительное экранирование света.

В редких случаях в простой зеркальной системе, кроме параболического зеркала, применяют вторичное плоское зеркало, перпендикулярное оптической оси главного зеркала (рис. 6.1 ,г). Это зеркало отражает пучок лучей в обратном направлении. Лучи проходят через центральное отверстие в главном зеркале и собираются за ним. Такой телескоп иногда называют кольцевым телескопом. Как мы увидим далее, он может рассматриваться как частный случай системы Кассегрена. Если лучи собираются за вершиной главного зеркала, то длина трубы кольцевого телескопа приблизительно в два раза меньше, чем фокусное расстояние телескопа, но центральное экранирование вторичным зеркалом превышает (считая по диаметру) Это существенно сказывается на частотно-контрастной характеристике (ЧКХ) телескопа и на его разрешающей способности. Тем не менее в 1963 г. во Флагстаффском отделении Морской обсерватории США по инициативе К.А. Стрэнда установлен -метровый рефлектор, построенный по кольцевой схеме. Телескоп предназначен специально для выполнения астрометрических работ с использованием астрофотографии.

В кольцевом телескопе на фотопластинку могут попадать прямые лучи от неба, как это показано штриховой линией снизу на рис. 6.1,г. Фон неба будет засвечивать фотопластинку. Чтобы это исключить, необходимо ввести так называемые -патрубки, преграждающие путь прямым лучам, идущим от неба. Отсекатели (см. § 6.2) неизбежно увеличивают центральное экранирование. Поэтому эффективность телескопа далеко не соответствует его диаметру.

Если центральное экранирование недопустимо, то применяют систему Ломоносова-Гершеля (соответственно 1762 и 1774 гг.). Если относительное отверстие невелико, то зеркало может быть сферическим. Такая система широко применяется в солнечных телескопах. Если же относительное отверстие значительно, то поверхность должна быть параболоидом. При этом могут быть два случая. В одном (рис. 6.3,а) зеркало является параболоидом вращения с оптической осью и при выполнении визуальных наблюдений ось окуляра О должна совпадать с направлением а при выполнении фотографических наблюдений плоскость фотопластинки должна быть перпендикулярна этому направлению. При этом изображение свободно от сферической аберрации, но кома, астигматизм и кривизна поля на оси определяются углом и». В другом случае (рис. зеркало является частью параболоида с вершиной в точке В и осью Тогда зеркало будет внеосевым параболоидом. Его изготовление является задачей весьма сложной. При выполнении фотографических наблюдений плоскость фотопластинки должна быть

Рис. 6.3. Схема рефлектора Ломоносова-Гершеля: параболоид вращения с оптической осью mF (а), внеосевой параболоид А В с оптической осью BF (б)

перпендикулярна оси а при визуальных — оптическая ось окуляра О должна быть продолжением оси В результате из всего окуляра фактически работает лишь часть его. Сферическая аберрация равна нулю, кома и астигматизм объекта, лежащего на оптической оси, также равны нулю, но быстро растут с удалением от нее. Они определяются по формулам (4.41) и (4.48), в которых относительное отверстие А надо считать для всего диаметра из которого вырезано внеосевое параболическое зеркало