Система Кассегрена

Материал из Астровики
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Кассегрены

Кассегрены – очень большой класс двухзеркальных оптических схем широко используемых в астрономической оптике. Это и классический Кассегрен с параболическим главным зеркалом, и Ричи-Кретьен с гиперболическим главным зеркалом, и Максутов-Кассегрен со стеклянным мениском-корректором, закрывающим трубу, и Шмидт-Кассегрен с коррекционной стеклянной пластиной, и схема Клевцова с линзовым корректором вблизи вторичного зеркала.

Лучи от удаленного предмета падают на вогнутое главное (primary) зеркало, а их отражения, не доходя до фокуса, перехватываются вторичным (secondary) выпуклым зеркалом, которое уже и строит действительное обернутое изображение в фокальной плоскости (кассегреновский фокус). Комбинация этих двух зеркал образует силовую оптическую схему, которую часто дополняют линзовыми коррекционными компонентами. Эти корректоры могут быть установлены перед главным зеркалом (в параллельном ходе лучей), перед вторичным зеркалом (в двойном проходе лучей), перед изображением (в сходящемся ходе лучей). Обычно корректор в параллельном ходе лучей или/и асферика на главном зеркале отвечают за исправление сферической аберрации (иногда комы и некоторых других апертурных аберраций). Корректор в двойном ходе лучей и/или асферика на вторичном зеркале отвечает обычно за коррекцию комы (может корректировать и сферическую, но менее эффективно). Корректор в сходящемся ходе лучей обычно отвечает за коррекцию полевых аберраций (в первую очередь кривизны поля зрения, астигматизма), которые в большей или меньшей мере присущи всем Кассегренам.

Обычно полное фокусное расстояние Кассегрена много больше фокусного расстояния его главного зеркала, то есть он относятся к зеркальным телеобъективам. Расстояние от зеркала до зеркала меньше фокусного, что делает объективы на основе этой схемы весьма компактными. Типичные относительные отверстия Кассегренов 1:8..1:12. Но бывают как более, так и менее светосильные варианты. Отношение полного фокусного расстояния к фокусному расстоянию главного зеркала называют увеличением на вторичном зеркале. Чем это увеличение больше, тем чувствительнее схема к разъюстировкам и перепадам температуры, но и позволяет уменьшить экранирование (затенение вторичным зеркалом центра апертуры).

Обычно фокальную плоскость выносят за поверхность первичного зеркала через отверстие в нем. Расстояние вдоль оптической оси от поверхности первичного зеркала до фокальной плоскости так и называют – выносом. Это расстояние должно быть достаточным для того, чтобы разместить приемные устройства, зенит-призму, устройство точной фокусировки, механику крепления, разгрузки и юстировки главного зеркала, устройство грубой фокусировки главным зеркалом, учесть толщину самого главного зеркала. С другой стороны большой вынос требует преувеличения экранирования, что нежелательно по соображениям влияния дифракции на качество изображения. Доступное для сенсора или окуляра поле зрения в Кассегренах естественным образом ограничивается размером отверстия в главном зеркале. Иногда фокальную плоскость выносят вбок отражением от малого диагонального зеркала, расположенного перед главным (схемы фокусов Несмита и Куде), в этом случае главное зеркало может не иметь отверстия.

Особенное внимание в Кассегренах уделяют защите поля зрения от паразитной засветки лучами, идущими напрямую из входного зрачка на фотоприемник или полевую диафрагму окуляра. Для этой светозащиты служат обычно три бленды. Внешняя – перед объективом, внутренняя короткая на вторичном зеркале и внутренняя «морковка» на отверстии главного зеркала. Из соображений светозащиты приходится еще больше преувеличивать экранирование и уменьшать размер невиньетированного поля зрения.

Все Кассегрены весьма чувствительны к ошибкам коллимации вторичного зеркала. Апланатические схемы – несколько меньше, схемы с несправленной комой (неапланатичные) – больше. Юстировка (коллимация) осуществляется небольшими наклонами вторичного зеркала и/или реже – главного.

Cassegrain 2.JPG

В чем приемущества зеркально-линзовых телескопов по сравнению с зеркальными кроме компактности?

Преимущества? Скорее отличия, которые в некоторых ситуациях могут быть преимуществами, а могут и наоборот.

1. В зеркальных телескопах сколь-нибудь приличной апертуры и/или относительного отверстия используются асферические зеркала. То есть элементы объектива одновременно выполняют и силовую функцию (строят изображение) и коррекционную (исправляют аберрации). В то время как в зеркально-линзовых обычно коррекционную функцию несут линзовые элементы (такие как планоидная пластинка Шмидта, ахроматический мениск Максутова, двухлинзовый афокальный корректор), а сферические зеркала - только силовую.

(-) Дополнительные элементы зеркально-линзовых объективов усложняют схему, повышают требования к жесткости конструкции трубы, предъявляют более высокие требования к стеклу работающему на преломление, хроматические аберрации, фильтрация УФ и далекого ИК диапазонов на стекле, рефрексы и т.д.

(+) Отражающие поверхности - сферические (как правило), то есть наиболее легкие и менее подверженные ошибкам при производстве. Ошибки преломляющих поверхностей могут быть в среднем втрое-четверо большими, чем у зеркал. А за счет дополнительных линзовых элементов возможна лучшая аберрационная коррекция, возможность развивать большие свободные от аберраций поля зрения.

2. Как правило, зеркально-линзовые инструменты имеют большие или меньшие замкнутые линзами внутренние объемы. В то время как зеркальные - полностью открыты.

(-) Остывание зеркально-линзовых в итоге происходит медленнее.

(+) Но при достижении некоторого уровня разности температур внешнего и внутреннего объемов изображение становится более стабильно. К тому-же зеркала оказываются защищены от воздействия внешней среды.

А вот достижения компактности примерно одного уровня возможно и в чисто зеркальных схемах (Кассегрен), и в зеркально-линзовых (Шмидт-Кассегрен).

Классический Кассегрен

Это чисто зеркальная схема с параболическим главным зеркалом и выпуклой гиперболой на вторичном. Схема полностью исправлена в части сферической аберрации, то есть на оси строит стигматичное изображение, но, как и одиночное параболическое зеркало (схема Ньютона), не свободна от полевой комы (то есть не апланатична). Из-за этого – высокая чувствительность схемы к разъюстировкам, да и качество изображения при даже при типичных для Кассегренов относительных отверстиях (1:10 и менее) страдает от комы. В меньшей степени изображение (ближе к краю поля зрения) испорчено астигматизмом и кривизной поля зрения. Главным резоном для использования классической схемы Кассегрена является ее гибкость. Установкой вместо вторичного выпуклого зеркала плоского диагонального можно преобразовать телескоп в светосильный Ньютон. А сменой вторичных зеркал можно получать с одним и тем же главным зеркалом разные фокусные расстояния и соответственно иметь разный масштаб на фотоприемнике.

Схема имеет открытую для окружающего воздуха трубу, что благоприятно сказывается на скорости приведения телескопа в состояние теплового равновесия с окружающей средой. Но это не очень практично в смысле сохранения поверхностей в чистоте, да и качество изображения (тройной ход лучей через внутренний объем трубы) страдает от внутренних конвекционных потоков, которые трудно подавить в открытой трубе.

В практике любительского телескопостроения получила ограниченное применение такая вариация классического Кассегрена, как Долл - Керкэм. В этой схеме предприняты меры по уменьшению проблем с асферизацией оптических поверхностей. Главное зеркало имеет форму эллипсоида («недопараболизованную» сферу), а выпуклое вторичное -сферическую. Ценой потери универсальности и 3-4 кратного увеличения полевой комы (и соответственно проблем с юстировкой) получается много менее трудоемкая в части асферизации (фигуризации) поверхностей зеркал схема. Из-за преувеличенной комы, схема предпочтительна в малосветосильном исполнении 1:15 и менее.

Cassegrain.JPG

Ричи-Кретьен (РК)

Это так же чисто зеркальная апланатическая вариация Кассегрена с исправленной полевой комой. Оба зеркала - гиперболоиды вращения. Трудоемкость изготовления выше, чем у классического Кассегрена, зато исправленная кома позволяет развивать большие относительные отверстия. Так что схема имеет некоторое распространение у любителей, в основном в качестве астрографа и обычно в сочетании с полевым линзовым корректором так как астигматизм и кривизна поля зрения этой схемы довольно велики. Ценой достигнутой апланатичности стала потеря гибкости присущей классическому Кассегрену. Ричи-Кретьен, без специальных линзовых корректоров не дает получить исправленное изображение в главном фокусе или изменять фокусное расстояние заменой вторичного зеркала, с сохранением апланатичности. Но это, в общем-то, не столь важно в любительской практике.

Максутов-Кассегрен (МК)

Это Кассегрен с ахроматическим мениском Максутова установленным в параллельном ходе лучей. Зеракала имеют сферическую форму, а мениск исправляет сферическую аберрацию и полевую кому. Астигматизм схемы весьма и весьма умеренный. Имеется небольшая кривизна изображения. Иногда вторичным зеркалом служит вторая (выпуклая) поверхность мениска, что не сказывается на качестве коррекции аберраций, но несколько усложняет юстировку. Соотношение радиусов и толщины в мениске таково, что он вносит минимальный, практически незаметный, хроматизм. Эта апланатическая схема, подобно схеме Ричи-Кретьена, способна работать с большими относительными отверстиями и использоваться, как довольно светосильный астрограф. В любительской же практике ее используют с малыми относительными отверстиями, то есть как более технологичный (без асферик) Кассегрен. Дополнительный плюс схемы – закрытая труба. Ее тепловая инертность много больше (дольше остывает), чем у чисто зеркального Кассегрена, зато после выхода на тепловое равновесие, внутренние конвекционные потоки много спокойнее, что делает возможным получение лучшего качество изображения. К недостаткам схемы относят наличие остаточной сферической аберрации высших порядков. Ее можно несколько уменьшить путем ретуши (зональной асферизации) мениска или главного зеркала, но при этом теряется плавность формы сферической поверхности и возможно появление серьезных зональных ошибок.

Шмидт-Кассегрен (ШК)

Этот Кассегрен, пожалуй, самый распространенный у любителей. Он характеризуется сферическими зеркалами и планоидной асферической коррекционной пластинкой изобретенной Шмидтом. Пластинка Шмидта установлена в параллельном ходе перед главным зеркалом так, чтобы вторичное зеркало могло крепиться к нему. Коррекционная пластинка исправляет сферическую аберрацию. Качество изображения в ШК сильно зависит от весьма сложного процесса асферизации коррекционной пластины. При прочих сферических поверхностях полевая кома остается неисправленной и примерно равной классическому Кассегрену, поэтому относительные отверстия Шмидт-Кассегренов обычно невелики 1:10..1:12 и они весьма чувствительны к разъюстировкам. Апланатичность схемы подобная зеркальному Ричи-Кретьену достигается введением асферики на одном из зеркал, как это сделано в серии телескопов RCX от Meade. Пластинка вносит небольшой остаточный сферохроматизм (хроматическую разницу в коррекции сферической аберрации), который практически не оказывает влияния на качество изображения. Для производства фотографических работ ШК оборудуются компрессорами (уменьшителями) фокусного расстояния, которые увеличивают относительное отверстие и в том числе несколько подправляют кому и кривизну поля зрения. Телескопы этой схемы, благодаря относительно тонкой пластине корректора, имеют меньшую тепловую инерцию (быстрее остывают), чем МК при тех же плюсах зарытой трубы. И в ШК и в МК вторичное зеркало крепится непосредственно на коррекционный элемент и таким образом они лишены проблем связанных с дифракционным влиянием «паука» из растяжек на появление характерных «лучиков» вокруг ярких звезд. Апертура ШК и МК обычно ограничена диаметром их главного линзового коррекционного элемента (пластинки или мениска), а вот главные зеркала делают несколько большего диаметра, чтобы не «зарезать» апертуру и уменьшить виньетирование краев изображения. Пластинка несколько меньше ограничивает апертуру, а вот качественный мениск большого диаметра весьма дорог в производстве.

Клевцов

Относительно недавно изобретенная схема с субапертурным линзовым корректором сферической аберрации и комы в двойном ходе лучей перед вторичным зеркалом. Все поверхности сферические. Высшие порядки сферической аберрации незначительны, астигматизм по сравнению с МК довольно велик. Двойной проход лучами линзового корректора приводит к несколько большему по сравнению с ШК и МК светорассеиванию (хотя автором схемы предприняты специальные меры к недопущению бликования). Труба может быть очень компактной, а относительное отверстие – довольно большим. Астигматизм и кривизна несколько больше, чем у МК. Все преимущества и недостатки открытой трубы (объектив быстрее остывает, но есть трудности со стабилизацией изображения после остывания). Апертура Клевцова так же как классического Кассегрена или Ричи-Кретьена определяется диаметром одной детали - главного зеркала, что делает эти схемы потенциально самыми апертурными.

Кассегрены с двухлинзовыми корректорами

Двухлинзовый афокальный корректор может быть установлен как в параллельном (перед главным зеркалом), так и в сходящемся ходе лучей. В первом случае получаем схему Слефогта (у нас чаще ее называют схемой Волосова) со сферами на всех поверхностях. Схема хорошо исправлена в части сферической, комы и прочих остаточных апертурных аберраций. Она выдерживает довольно большие относительные отверстия и прекрасно работает в качестве светосильного астрографа. Но для обычных приложений в любительской практике двухлинзовый полноапертурный корректор все же довольно дорог в производстве и несколько избыточен. При установке афокального корректора в сходящемся ходе лучей при некотором запасе на экранирование возможно исправление сферической и комы при сферах на зеркалах, но обычно допускается асферика на одном или даже обоих зеркалах, а корректор работает большей частью как полевой.

Источники:

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты