Рефлектор - Ньютон

Материал из Астровики
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Что такое рефлектор?

В широком смысле слова рефлектор - это любой телескоп, объектив которого состоит только из зеркал. Это и объективы по схеме Ньютона (вогнутое параболическое главное зеркало и вспомогательное диагональное), и Кассегрена (главное - вогнутое, экранирующее меньшее по размеру - выпуклое), и Ричи-Кретьена (апланатический - свободный от комы - Кассегрен), и довольно редкого Грегори (вогнутое и главное, и экранирующее вспомогательное), и некоторые еще менее распространенные двух-, трех- и четырехзеркальные.

Однако в узком смысле это название обычно употребляют по отношению только к Ньютонам.

Какова схема Ньютона?

Классическая схема Ньютона это - вогнутое параболическое зеркало (главное зеркало - ГЗ), которое отражает лучи от бесконечно удаленного объекта в фокальную плоскость на расстоянии равном половине радиуса кривизны при вершине зеркала. Для того, чтобы вывести изображение из падающего параллельного пучка используется вспомогательное плоское зеркало повернутое на 45 градусов к оси труба, оно отражает изображение на 90 градусов. Из-за этих 45 градусов оно назвается диагональным (ДЗ). Для того, чтобы его тень на ГЗ была круглой (это выгодно по ряду соображений) форма ДЗ обычно делается эллиптической с отношением большой оси к малой равном 1.4142 (корень из двух). Размеры определяются размерами сечения светового конуса конуса в плоскости расположения ДЗ. Малая ось эллипса отражающей поверхности диагонального зеркала определяется следующим соотношением:

               a (мм) = 4*S*D*(S-f'+L)/(4*S*S-D*D), 

где:

               S (мм) = D*f'/(D - 2y') 

S - расстояние от ГЗ до вершины светового конуса (равно фокусному расстоянию при нулевом невиньетированном поле), D (мм) - диаметр ГЗ, 2y' (мм) - диаметр невиньетированного поля зрения, f' (мм) - фокусное расстояние ГЗ, L (мм) - излом оси (расстояние от оси трубы до вынесенной в бок фокальной плоскости).

Отношение a/D - линейный коэффициент экранирования и обычно выражают в процентах. При этом геометрический центр эллипса диагоналки для сохранения симметричности виньетирования должен быть смещен с оси главного зеркала на

               d (мм) = 0.25*a*D/S = D*D*(S-f'+L)/(4*S*S-D*D), мм 

в сторону от фокусера и к главному зеркалу. Внутренний размер трубы Ньютона должен быть больше диаметра ГЗ как минимум на величину примерно 2y', чтобы не виньетировались наклонные (полевые) световые пучки.

Труба телескопа Ньютона

Труба телескопа Ньютона состоит из следующих основных частей

Newton.jpg

Труба

Обеспечивает постоянство положения отдельных частей относительно друг друга, светозащиту от внешней засветки, потоков теплого воздуха от тела и дыхания наблюдателя, пыли и влаги. Труба может быть сплошной несущей или выполненной в виде фермы (возможно с легким чехлом, например, из капрона. Для уменьшения тепловых внутри трубы лучше окрашивать трубу снаружи белым цветом, а материал трубы выбирать из неметаллов. Жесткость трубы обеспечивает таже возможность ее присоединения к монтировке телескопа. Меньшая жесткость нужна для крепления в альт-азимутальной симметричной монтировке (типа Добсона) и несколько больная для крепления в экваториальной.

Главное зеркало

Создает изображение удаленных предметов в фокальной плоскости окуляра. В классическом исполнении имеет профиль параболоида вращения, но иногда при малых относительных отверстиях может быть заменено на сферическое. Парабола более подвержено технологическим ошибкам изготовления в процессе так называемой фигуризации, но зато обеспечивает высокую светосилу и минимальные аберрации на оси. Толщина зеркала должна быть такой, чтобы обеспечивать достаточную жесткость в условиях переменных весовых нагрузок, а материал - стекло, ситалл или даже плавленый кварц с высокой степенью оптической однородности и минимумом напряжений (как это обычно бывает в закаленном или витринном стекле).

Диагональное зеркало

Отбрасывает отраженный главным зеркалом свет вбок, позволяя рассматривать его фокальную плоскость без помех. Зеркало плоское (точность плоскости не менее 1/4 длины волны), имеет в идеале эллиптическую форму отражающей поверхности и скошенные под 45 градусов нерабочую цилиндрическую поверхность. Требования к материалу столь же жесткие как и у главного зеркала. На рынке аксессуаров есть предложения с 95% зеркальным и даже 99% диэлектрическим многослойным слоем отражения, но обычно алюминиевый зеркальный слой отражает порядка 88%. Размер зеркала снизу ограничен диаметром осевого пучка в точке излома оси и возможно меньшим виньетированием внеосевых пучков, а сверху требованиями минимизации экранирования (при малой оси диагоналки 30% от апертуры контраст изображения падает также как 1/4 волновая сферическая аберрация).

Как диагональное, так и главное зеркало имеют наружное зеркальное покрытие (обычно алюминиевое с защитой оксидом кварца или без) весьма чувствительное к механическим нагрузкам. Оно требует особенно бережного обращения и предохранения от царапин при чистке и мойке. Самый мелкие и незаметные царапинки на зеркальном слое приводят к уменьшению контраста изображения и потере проницания.

Оправа главного зеркала

Обеспечивает относительную (с точностью до тепловых зазоров порядка 0.5 мм на сторону) неподвижность главного зеркала по отношению к другим узлам. Лапки (реже приклеивание) предохраняют зеркало от выпадения из оправы. Зеркало обычно укладывается на три равносторонне разнесенные на опоры (диаметр окружности проходящей через опоры равен 0.4 диаметра зеркала) или на специальную систему весовой разгрузки. Оправа зеркала должна иметь возможность менять свое положение в трубе при помощи так называемых юстировочных винтов относительно трубы телескопа или неподвижной части оправы (базы) для обеспечения точной юстировки Ньютона.

Система охлаждения главного зеркала

Это или пассивная система, когда тыльная сторона зеркала максимально открыта наружному воздуху для того, чтобы как можно быстрее привести зеркало в температурное равновесие с окружающей средой, или активная вентиляция наружной и тыльной поверхности зеркала при помощи вентиляторов (обычно используются вентиляторы охлаждения системных блоков компьютеров).

Оправа вторичного зеркала

Оправа диагонального зеркала Ньютона обеспечивает, с одной стороны, точное и постоянное во времени положение диагонального зеркала относительно других элементов схемы (окуляра и главного зеркала), а с другой - возможность небольших изменения угла наклона, угла поворота относительно оси трубы и смещения вдоль ее для коллимации телескопа в процессе грубой юстировки.

"Паук" или растяжки

Обычно четырехлучевая схема подвески узла вторичного (диагонального) зеркала в трубе телескопа. Должна обеспечивать надежное фиксирование диагонального зеркала и возможность его центрировки относительно оси трубы. Иногда встречаются трехлучевые "пауки" (в отличие от четырехлучевых приводят к появлению шести дифракционных лучей вокруг изображения каждой яркой звезды). Еще более экзотичны теперь "одноногое" крепление вторичного зеркала и крепление на искривленных растяжках (последние уменьшают дифракционные лучи, до их полного исчезновения).

Фокусер

Предоставляет базу (обычно торец цилиндра и диаметр отверстия стандарта 1.25" или 2") для позиционирования и крепления окуляра с возможностью фокусировки (подгонки под зрение наблюдателя и совмещения фокальных плоскостей окуляра и главного зеркала). Обычно фокусер состоит из базы прикрепляемой к трубе (иногда с возможностью регулировки для выставления перпендикулярности), механизма фокусировки и подвижной трубки фокусера (обычно она имеет возможность перемещаться перпендикулярно оси трубы поступательно, без прокручивания). Наибольшее распространение получили реечная конструкция и фокусер Крейфорда. В любительской практике встречаются фокусеры из корпусов недорогих фотообъективов (типа Гелиос 44 и ему подобных).

Диафрагмы светозащиты

Обычно для уменьшения бликования все детали внутренности трубы (внутренняя поверхность трубы, детали узла диагонального зеркал, трубка фокусера, детали крепления главного зеркала, фаски зеркал,.. короче, все кроме оптических поверхностей) должны быть тщательно зечернены (покрыты несколькими слоями матовой черной краски). Но для еще большей гарантии от бликования (паразитной засветки посторонними источниками света) следует установить две-три светозащитные диафрагмы у главного зеркала и внутри трубки фокусера и даже окуляра. Очень полезен также наглазник на окуляре или слежение за чистотой оптических поверхностей (включая хранение лицевыми поверхностями вниз, минимальную работу с оптикой в жилых, как правило, очень пыльных помещениях).

Прочие аксессуары

К трубе телескопа Ньютона обычно крепятся также оптический или коллимационный искатель, система балансировки (для того, чтобы трубы была подвешена на монтироке в состоянии безразличного равновесия), площадка для крепления фотооборудования и гида (небольшого телескопа для ручного или автоматического слежения за фотографируемым объектом). Важно иметь крышки, герметично закрывающие фокусер, передний и задний обрез трубы для ее хранения и перевозки.

А вот говорят есть какая-то "кома"?

При идеально изготовленной параболе ГЗ (что, говоря по совести, бывает только в математической модели) и идеальной юстировке центр поля зрения Ньютона полностью свободен от аберраций и разрешение ограничено только дифракцией (в том числе и от тени вторичного зеркала, которую можно особенно не принимать во внимание при коэффициенте линейного экранирования до 20%). Но Ньютон не свободен от аберраций. Чуть в сторону от оси и уже начинает проявляться кома (неизопланатизм) - аберрация связанная с неравностью увеличения разных кольцевых зон апертуры. Кома приводит к тому, что пятно рассеививания выглядит как проекция конуса - острой и самой яркой частью к центру поля зрения, тупой и округлой в сторону от центра. Размер пятна рассеивания пропорционален удалению от центра поля зрения и пропорционален квадрату диаметра апертуры. Поэтому особенно сильно проявление комы в так называемых "быстрых" (светосильных) Ньютонах на краю поля зрения. Обычно будущих владельцев Ньютона пугают малым диаметром поля зрения условно свободного от влияния комы (то есть в пределах которого кома меньше пресловутого критерия Релея). Приведем и мы эту несколько модернизированную табличку:

k d, мм ф150 ф200 ф250 ф300
2.86 0.50 4 3 2 2
3.21 0.71 5 4 3 3
3.61 1.00 6 5 4 3
4.05 1.41 8 6 5 4
4.55 2.00 10 8 6 5
5.10 2.83 13 10 8 6
5.73 4.00 16 12 10 8
6.43 5.66 20 15 12 10
7.22 8.00 25 19 15 13
8.10 11.3 32 24 19 16
9.09 16.0 40 30 24 20
10.2 22.6 51 38 30 25

где:

k - относительное фокусное расстояние параболического зеркала телескопа,

d - диаметр поля зрения свободного от комы в мм (d = k3/45),

ф150 ф200 ф250 ф300 - колонки в который указаны угловые поля зрения условно свободные от комы, в угловых минутах соотвественно диаметру главного зеркала фХХХ в мм.

Возможно, покажутся полезными следующие формулы расчета величины комы в волновой мере:

WPV = 0.888*D/k^3

WRMS = 0.265*D/k^3

St = exp(-(1.66*D/k^3)^2)

где WPV - размах деформации волнового фронта возмущенного комой в длинах волн 0.55 мкм, k - относительный фокус зеркала, D - диаметр зеркала в мм, WRMS - среднеквадратическаая деформация волнового фронта, St - критерий Штреля.

В хорошо отъюстированных Ньютонах умеренной светосилы кома не слишком мешает наблюдениям. Она едва заметна в окуляр с ординарным полем зрения (Плёсл, Кельнер и т.п.) и сильнее в качественный широкоугольный окуляр (отсюда практический вывод - не стоит для Ньютона разоряться на очень уж дорогие широкоугольные окуляры, их перфектное качество может оказаться невостребованным - без корректора комы для детального рассматривания объект все-равно придется перемещать в центр поля зрения).

См. интересное обсуждение степени влияния комы Ньютона при визуальных наблюдениях.

Значит только кома?

Ну, нет, конечно. Есть еще астигматизм, который хоть и проявляется в меньшей степени, чем у рефракторов, но так-же ухудшает край поля зрения. Если влияние комы линейно пропорционально удалению объекта от центра поля зрения, то астигматизм нарастает квадратично и именно он ухудшает качество изображения у края полевой диафрагмы 2" окуляров.

Вот табличка диаметров (мм) полей зрения Ньютона условно свободного от астигматизма (по критерию Реллея) в зависимости от диаметра зеркала D и относительного фокусного расстояния k = f'/D:

k\D 114 127 152 203 254 305
3.5 5.6 5.9 6.5 7.5 8.4 9.2
4 6.8 7.2 7.9 9.1 10.2 11.2
4.5 8.2 8.6 9.4 10.9 12.2 13.4
5 9.6 10.1 11.1 12.8 14.3 15.7
6 12.6 13.3 14.5 16.8 18.8 20.6
7 15.9 16.7 18.3 21.2 23.7 25.9
8 19.4 20.4 22.4 25.9 28.9 31.7
10 27.1 28.6 31.3 36.1 40.4 44.3


А всякие там Шмидт-Ньютоны?

Существуют многочисленные вариации оптической схемы Ньютона.

Ньютон со сферическим (а не параболическим) главным зеркалом. Эта схема вносит сферическую аберрацию тем большую, чем больше светосила главного зеркала. То есть пригодна только для весьма умеренных по апертуре и несветосильных инструментов. К примеру, для 150 мм диаметра сферическое зеркало с фокусом 1500 мм почти идеально замещает параболическое. См. обсуждение http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,12759.0/topicseen.html, в котором в частности приведена формула связывающая минимальное фокусное расстояние сферического зеркала, когда оно еще не слишком уступает параболическому f' = 1.52*D^4/3 Из этой формулы следует такая табличка минимальных фокусных расстояний при которых возможна замена парабол сферическими зеркалами:

D, мм Fmin, мм
114 840 1:7.4
130 1000 1:7.7
150 1200 1:8
200 1778 1:9
250 2394 1:9.5
300 3053 1:10

вообще же для, сферического зеркала диаметром D и относительным фокусным k = f'/D сферическую аберрацию в волновой мере можно рассчитать по формулам:

WPV = 0.888*D/k^3 - полный размах

WRMS = 0.265*D/k^3 - среднеквадратическое значение

  • Ньютон с линзовым компенсатором сферической аберрации. Это сферическое главное зеркало в сочетании с линзовый компенсатором сферической аберрации располагаемый перед фокусом в окулярном узле. Увы, качество компенсации в дешевом исполнении этой схемы невысоко, да и велика чувствительность к разъюстировкам.
  • Ньютон с корректором комы. Классический Ньютон с двух- трехлинзовым корректором комы и некоторых других полевых аберраций. В таком исполнении Ньютон становится весьма пригоден как для астрофотографических работ, так и для использования высококачественных широкоугольных окуляров. Чувствительность к разъюстировкам такая-же, как у обычного Ньютона.
  • Ньютон с призмой полного отражения вместо диагонального зеркала. Призма - не самая лучшая замена диагональному зеркалу (она вносит аберрации, имеет большее число источников погрешностей, более чувствительна к ошибкам изготовления, хуже в части экранирования и т.д.), но при небольших апертурах приемлема.
  • Шмидт-Ньютон с компенсатором в виде пластинки Шмидта. Пластинка Шмидта закрывает передний обрез трубы, что благоприятно сказывается на чистоте зеркал и уменьшении внутренних тепловых токов. Главное зеркало - сферическое. Кома примерно вдвое меньше, чем у классического Ньютона.
  • Максутов-Ньютон с афокальным компенсатором в параллельном ходе лучей в виде ахроматического мениска (расположен на переднем обрезе трубы и делает ее "закрытой"). Главное зеркало - сферическое. Кома исправлена, то есть объектив апланатичен.
  • Волосов-Ньютон с компенсатором в виде двухлинзового афокального корректора в передней части трубы (труба такми образом закрыта). Наилучшее исправление как осевых, так и полевых аберраций, позволяет достигать весьма интересных для астрофотографии светосил. См. интересное обсуждение http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,12127.0.html

В чем отличие Ньютона и Добсона?

Хм,.. они жили в разное время. Да и для любителя астрономии это имена разных классов объектов. Ньютон - имя оптической схемы рефлектора, а Добсон (Доб) - имя концепции визуального любительского телескопа включающего трубу с оптической схемой Ньютона на упрощенной легкой альт-азимутальной монтировке. То есть, если кто-то говорит, что у него Ньютон. Скорее всего это означает трубу по схеме Ньютона на какой-то экваториальной монтировке (может быть с возможностью астрофотографии).

Источники:

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты