§ 8.8. Преобразователи фокусного расстояния

Разрешающая способность светоприемника должна быть согласована с размером изображения точечного объекта. Большие телескопы с большим фокусным расстоянием дают значительное пятно изображения, обусловленное остаточными аберрациями, ошибками изготовления, юстировки и, главным образом, атмосферными помехами. Для уменьшения его приходится применять преобразователи (редукторы) фокусного расстояния, хотя встречаются случаи, когда преобразователь используется для удлинения фокусного расстояния. С этого случая мы и начнем.

Простейшим преобразователем является окуляр. Он превращает телескоп в телескопическую афокальную систему, перенося изображение из фокальной плоскости объектива в бесконечность (см. рис. 1.3,6). Если немного выдвинуть окуляр наружу, то он перенесет изображение фокальной плоскости в сопряженную плоскость, находящуюся уже на конечном расстоянии. При этом относительное отверстие системы «объектив плюс окуляр» существенно уменьшается, а фокусное расстояние и масштаб изображения увеличивается. Такой способ преобразования фокусного расстояния называется окулярным увеличением. Оно применяется для демонстрации изображения Солнца на экране, фотографирования Луны и планет в любительских условиях. Чтобы получить хорошее изображение, применяют специальный окуляр или дополнительную специально рассчитанную отрицательную линзу Барлоу (Barlow Р. [1828 ]). Расчет ее выполняется так, чтобы в заданной сопряженной плоскости получить нужное увеличение (этим определяется ее оптическая сила) при минимальной сферической аберрации (этим определяется разность кривизн До ее поверхностей, т.е. ее форма). Для устранения хроматизма она делается склеенной из двух компонентов.

По-видимому, первым эффективным преобразователем, укорачивающим фокусное расстояние, явилась камера Мейнела [1960]. Она укорачивает фокусное расстояние телескопа в 6-7 раз, тем самым значительно увеличивая его относительное отверстие. Длиннофокусный, крайне малосветосильный рефрактор или рефлектор в схеме Кассегрена становится эквивалентным светосильной камере того же диаметра. Камера Мейнела (рис. 8.7) содержит три основных элемента. Первым из них является установленная в кассегреновском фокусе телескопа линза поля, уменьшающая расходимость полевых пучков, но не меняющая их апертуру. Ее диаметр равен линейному поперечнику поля телескопа. Она позволяет существенно уменьшить диаметр второго и третьего элементов. Смещение ее из фокуса телескопа вносит кому и хроматизм, который можно использовать для компенсации аберраций телескопа и последующей камеры. Вторым элементом является объектив типа тессар, установленный в обратном ходе лучей. Он играет роль коллиматора. Сложная система, состоящая из питающего телескопа, полевой линзы и коллиматора, является телескопической. Это позволяет в промежуток между коллиматором и следующим за ним третьим элементом поставить те или иные

Рис. 8.7. Камера Мейнела [ 1960]. объектив камеры (типа суммикрон) показан схематически

вспомогательные приборы, требующие для нормальной работы параллельных или слабо наклонных пучков. Третьим элементом является светосильный шестилинзовый объектив типа применяемого в микроскопах (но, конечно, значительно большего размера) с относительным отвестием 1:2.

Дальнейшее развитие преобразователи получили в связи с постройкой ряда крупных телескопов Ричи-Кретьена. Использование преобразователя во вторичном фокусе делает последний эквивалентным главному фокусу. Это весьма заманчиво, так как сразу снимает ряд конструктивных трудностей: отпадает необходимость в корректоре главного фокуса, размещения в нем наблюдателя и светоприемной аппаратуры. Кроме того, не нужно прибегать к технически сложной и трудной в эксплуатации смене вторичных зеркал для перехода от оптической схемы главного фокуса к вторичному фокусу Ричи-Кретьена или кудэ. Но для этого необходимо удовлетворение ряда требований:

1. Преобразователь должен оптически заменять главный фокус, обеспечивая адекватное поле и качество изображения во всем рабочем спектральном интервале.

2. Он должен использовать вторичное зеркало схемы Ричи-Кретьена. Это позволит обойтись всего двумя вторичными зеркалами: для фокусов Ричи-Кретьена и кудэ.

3. Преобразователь должен иметь минимальные габариты и вес с тем, чтобы его можно было легко устанавливать и снимать, чтобы он не требовал увеличения клиренса между подвижными и неподвижными узлами телескопа и чтобы положение фокальной плоскости было в удобном для работы месте, отстоящем недалеко от вторичного фокуса.

4. Он должен вносить минимальные светопотери, в том числе и в ультрафиолетовой области спектра.

Одновременное удовлетворение всех этих требований представляет технически сложную задачу. Различные типы корректоров можно классифицировать следующим образом:

I. Линзовые преобразователи, а) Преобразователи без использования промежуточного изображения (рис. 8.8,а). Системы эти сравнительно короткие, но требуют линз

большого диаметра и из-за большого остаточного хроматизма пригодны для работы лишь в узких спектральных интервалах с узкополосными фильтрами.

б) Преобразователи с использованием промежуточных изображений. В них обычно используются полевая линза и коллиматор, превращающие телескоп в афокальную систему. После нее установлена та или икая светосильная камера известного типа. Как правило, эти системы весьма длинные, требуют большого числа линз и так как они оборачивают изображение, то требуют значительно большей оптической силы и не в состоянии обеспечить очень

Рис. 8.8. (см. скан) Различные типы преобразователей фокусного расстояния. Линзовые преобразователи: без промежуточного изображения (а), с промежуточным изображением зеркально-линзовый (а). f - фокус системы. Короткие черточки у краев поверхностей указывают на их ретушь (асферичность)

высокое качество изображений. К этому типу преобразователей относится рассмотренная выше камера Мейнела. Линзовый преобразователь Вильсона (WilsonR.N. [1971 ]) с использованием промежуточного изображения приведен на рис. 8.8,б. В нем используется линза поля. Он не только преобразует абсолютную величину относительного отверстия от но и переворачивает изображение; поэтому его оптическая сила почти в два раза превышает оптическую силу преобразователя без промежуточного изображения. Общая длина преобразователя Вильсона значительно превышает длину преобразователя, описанного выше, без промежуточного изображения. Число линз в нем на две больше, что увеличивает светопотери.

II. Зеркально-линзовые преобразователи. Ж. Куртес (Curtes G. [1964]) предложил зеркально-линзовый преобразователь (рис. 8.8,б) для фокуса Ньютона -метрового рефлектора обсерватории Верхний Прованс (Франция). Как и в преобразователе Мейнела, здесь используются линза поля и коллиматор, но применена зер-кально-линзовая камера. Преобразователь укорачивает фокусное расстояние в пять раз и увеличивает диаметр поля до Диаметр изображений на краю такого поля составляет Вильсон разработал преобразователь, в котором часть оптической системы помещена перед промежуточным изображением, что позволяет независимо конторолировать астигматизм и поперечный хроматизм. Эта часть преобразователя играет роль корректора, исправляющего промежуточное изображение. Кассету можно устанавливать в промежуточном изображении или в фокальной плоскости укорачивающей камеры. Недостатком зеркально-линзовых преобразователей является трудность размещения светоприемной аппаратуры в пучке лучей. После линзы поля и коллиматора можно использовать камеру Шмидта или менисковую систему Максутова.

При расчете линзовых и зеркально-линзовых корректоров и преобразователей фокуса следует обращать внимание на возможность появления бликов. Блики могут образовываться при многократных отражениях от поверхностей линз или от поверхностей фотопластинки и одной из поверхностей линз. Особенно опасны блики, которые фокусируются вблизи гауссовой плоскости, или те, апертура которых очень маленькая. Они дают на фотопластинке ложные изображения. Расчет бликов выполняют, считая соответствующие поверхности зеркальными. Просветлением поверхностей линз можно снизить как светопотери, так и блики. Но просветление эффективно только в сравнительно узком спектральном интервале. Поэтому иногда приходится делать два сменных корректора или преобразователя, рассчитанных на разные участки спектра. Сужение рабочего диапазона длин волн уменьшает количество используемой энергии, а тем самым и эффективность телескопа. Применение линзового корректора или преобразователя фокусного расстояния оправдано, если неизбежные в них дополнительные светопотери компенсируются увеличением поля или ростом проницающей силы телескопа.