Кіріспе

Суретті жасау үшін қисық айналарды қолданатын телескоптар.

Айналық телескоп (немесе рефлектор) – жарықты шағылыстырып, сурет құрайтын бір немесе қисық айналардың комбинациясын пайдаланатын телескоп. Айналық телескопты 17 ғасырда Исаак Ньютон, сол кезде қатты хроматикалық аберрациядан зардап шеккен сынатын телескопқа балама ретінде ойлап тапты. Айналық телескоптар басқа да оптикалық аберрацияларды тудырғанымен, бұл дизайн өте үлкен диаметрлі объективтерге мүмкіндік береді. Астрономиялық зерттеулерде қолданылатын негізгі телескоптардың басым бөлігі айналық телескоптар болып табылады. Көптеген түрлері қолданылады, ал кейбіреулері бейне сапасын жақсарту немесе бейнені механикалық тұрғыдан тиімді жағдайға орналастыру үшін қосымша оптикалық элементтерді қолданады. Айналық телескоптар айналарды пайдаланатындықтан, бұл конструкция кейде катоптрикалық телескоп деп те аталады. Ньютоннан бастап 1800 жылдарға дейін айнаның өзі металдан, әдетте, спекулум металлынан жасалатын. Бұл типке Ньютонның алғашқы жобалары және 19 ғасырдағы ең үлкен телескоп – 6 фут (2 метр) ені бар металл айнасы бар Парсонстаунның Левиафаны кірді. 19 ғасырда, өте жұқа күміс қабатымен жабылған шыны блоктарын пайдалану әдісі ғасырдың басында танымал бола бастады. Бұл әдіс Кроссли және Гарвард айналық телескоптарына әкелді, олар металл айналы конструкциялардың кемшіліктерін ескере отырып, айналық телескоптардың жақсы беделін қалыптастыруға көмектесті. Басты кемшілік – металл айналар жарықтың шамамен жартысын ғана шағылыстырып, металл тез тозады. Бірнеше жылтырату және тозудан кейін айнаның қажетті дәлдігінен айырылуы мүмкін. Айналық телескоптар астрономияда кең таралды және көптеген танымал телескоптар, мысалы, Хаббл ғарыш телескопы және әуесқойлардың танымал модельдері осы дизайнды қолданады. Сонымен қатар, айналық телескоп принципі басқа электромагниттік толқын ұзындықтарына да қолданылды, мысалы, рентген телескоптары да сурет түзілетін оптика жасау үшін айналық принципті пайдаланады.

Тарих

Бұрышты айналар линзалар сияқты қасиет танытуы туралы идея, кем дегенде, 11 ғасырда Альхазеннің оптика туралы трактатына, яғни ерте заманалық Еуропада латын тіліне аудармалары кеңінен таралған еңбектеріне дейін жетеді. Сыну телескопы ойлап табылғаннан кейін көп ұзамай, Галилей, Джованни Франческо Сагредо және басқалар, қисық айналардың қағидаларын білгендіктен, бейне құрайтын объектив ретінде айна қолданып телескоп жасау мүмкіндігін талқылады. 1626 жыл шамасында Болониялық Чезаре Караваджи мұндай телескоп жасағаны туралы хабарлар тарады, ал итальяндық профессор Николо Зукки 1616 жылы қуыс қола айнамен тәжірибе жасағанын, бірақ қанағаттандырарлық бейне алмағанын жазды. Ең белгілісі – Джеймс Грегори, ол 1663 жылы «шағылыстыратын» телескоптың жаңа дизайнын жариялады. Он жылдан кейін (1673 жылы) тәжірибеші ғалым Роберт Хук осы типтегі телескопты жасап шықты, ол Грегориан телескопы деп аталды. Грегори телескопын жобалағаннан бес жыл өткен соң және Хук алғашқы Грегориан телескопын жасағаннан бес жыл бұрын Исаак Ньютон 1668 жылы өзінің алғашқы шағылыстыратын телескопын жасады. Ол сфералық пішіндегі металл негізгі айнаны және Ньютон телескопы деп аталатын оптикалық конфигурациядағы кішкентай диагональді айнаны пайдаланды. Шағылыстырғыш дизайнының теориялық артықшылықтарына қарамастан, құрастырудың қиындығы және сол кезде қолданылған спекулум металл айналарының нашар өнімділігі олардың танымал болуына 100 жылдан астам уақыт кетті. Шағылыстыратын телескоптарды жетілдірудің көптеген жетістіктері 18 ғасырда параболалық айна жасаудың кемелденуі, 19 ғасырда күміс жалатылған шыны айналар (Леон Фуко 1858 жылы жасаған), 20 ғасырда ұзақ қызмет ететін алюминий жалатылған айналар, үлкен диаметрге мүмкіндік беретін сегменттелген айналар және гравитациялық деформацияны толықтыруға арналған белсенді оптиканы қамтыды. 20 ғасырдың ортасындағы жаңалық – Шмидт камерасы сияқты катадиоптрикалық телескоптар, олар негізгі оптикалық элементтер ретінде сфералық айна мен линзаны (түзетуші пластина деп аталады) пайдаланады, негізінен сфералық аберрациясыз кең өрісті бейнелеу үшін қолданылады. 20 ғасырдың соңында адаптивті оптика мен «сәтті» бейнелеудің дамуы көріну проблемаларын жеңуге мүмкіндік берді, ал шағылыстыратын телескоптар ғарыш телескоптарында және ғарыш аппараттарының көптеген бейнелеу құрылғыларында кеңінен қолданылады.

Техникалық ескертулер

Иілген негізгі айна – бұл фокалдық жазықтықта бейне жасайтын рефлекторлық телескоптың негізгі оптикалық элементі. Айна мен фокалдық жазықтық арасындағы қашықтық фокус арақашықтығы деп аталады. Бейнені жазу үшін осы жерге пленка немесе цифрлық сенсор орналастырылуы мүмкін, немесе оптикалық қасиеттерін өзгерту және/немесе жарықты пленкаға, цифрлық сенсорларға немесе көзбен қарап байқау үшін окулярға бағыттау үшін қосымша айна қосылуы мүмкін. Көптеген қазіргі заманғы телескоптардың негізгі айнасы алдыңғы беті шар немесе парабола пішіндес қатты шыны цилиндрден жасалған. Айнаға алюминийдің жұқа қабаты вакуум арқылы жабылады, нәтижесінде жоғары шағылыстыратын бірінші беттік айна пайда болады. Кейбір телескоптарда негізгі айналар басқа тәсілмен жасалады. Ерітілген шыны бетін параболоид пішіндес ету үшін айналдырылады және салқындап, қатып қалғанда айналу жалғастырылады. (Қараңыз: Айналма пеш.) Алынған айна пішіні қажетті параболоид пішініне жақын болады, соның салдарынан қажетті нақты пішінге жету үшін минималды ұнтақтау және жылтырату қажет болады.

Оптикалық қателер

Шағылыстыратын телескоптар, кез келген басқа оптикалық жүйелер сияқты, "мүкемел" суреттер жасамайды. Объектілерді шексіз қашықтықта бейнелеу қажеттілігі, оларды жарықтың әртүрлі толқын ұзындығында қарау, сондай-ақ негізгі айна жасаған бейнені қараудың бір жолы болуы, шағылыстыратын телескоптың оптикалық дизайнында әрқашан компромисс болатынын білдіреді. Негізгі айна жарықты өзінің шағылыстыратын бетінің алдындағы ортақ нүктеге шоғырлағандықтан, шағылыстыратын телескоптардың барлық дизайнында осы фокустық нүктеге жақын екінші айна, пленка ұстағышы немесе детектор орналасқан, ол жарықтың негізгі айнаға жетуіне кедергі келтіреді. Бұл жүйе жинаған жарық мөлшерінің азаюына ғана емес, сонымен қатар кедергінің дифракциялық әсерінен және екінші реттік тіреу құрылымдарының дифракциялық шоғырларынан суреттегі контрасттың жоғалуына әкеледі. Айналарды пайдалану хроматикалық аберрацияны болдырмайды, бірақ олар аберрацияның басқа түрлерін тудырады. Жабық сфера пішіндес айна алыстағы объектіден келген жарықты бір ортақ нүктеге шоғырлай алмайды, себебі айнаның шетіне түскен жарық сәулелері айнаның ортасына жақын түскендермен бірге шоғырланбайды, бұл сфералық аберрация деп аталатын кемшілік. Бұл мәселені болдырмау үшін көптеген шағылыстыратын телескоптарда барлық жарықты бір ортақ нүктеге шоғырлайтын парабола пішіндес айналар қолданылады. Параболалық айналар жасаған бейненің ортасына жақын объектілермен жақсы жұмыс істейді (айнаның оптикалық осіне параллель жарық сәулелері), бірақ сол көрініс өрісінің шетіне қарай олар осьтен тыс аберрациялардан зардап шегеді:

Кома – аберрация, онда бейненің ортасындағы нүктелік көздер (жұлдыздар) нүктеге шоғырланады, бірақ әдетте бейненің шеттеріне қарай нашарлайтын "комета тәрізді" радиалдық дақтар түрінде көрінеді. Өріс қисықтығы – ең жақсы бейне жазықтығы, әдетте, қисық болады, бұл детектордың пішініне сәйкес келмеуі мүмкін және өріс бойынша фокус қатесіне әкеледі. Кейде оны өрісті тегістейтін линза арқылы түзетуге болады. Астигматизм – диафрагманың айналасындағы фокустың азимуттық өзгеруі, осінен тыс нүктелік бейнелердің эллипстік болып көрінуіне себеп болады. Астигматизм әдетте тар көрініс өрісінде мәселе тудырмайды, бірақ кең өрісті бейнеде ол тез нашарлайды және өріс бұрышына қарай квадраттық түрде өзгереді. Дисторсия – дисторсия бейне сапасына (айқындығына) әсер етпейді, бірақ объектілердің пішіндеріне әсер етеді. Кейде ол бейне өңдеу арқылы түзетіледі. Ритчи-Кристиан телескопы сияқты модификацияланған айна беттерін (немесе катадиоптрикалық телескоптар сияқты) қолданатын және осы аберрациялардың кейбірін түзететін телескоп дизайндары бар.

Астрономиялық зерттеулерде қолдану

Дәл барлық зерттеуге арналған үлкен астрономиялық телескоптар – рефлекторлар болып табылады. Бұған бірнеше себеп бар: рефлекторлар жарықтың кеңірек спектрінде жұмыс істейді, себебі рефракторларда немесе катадиоптрикалық телескоптарда кездесетін шыны элементтер арқылы өтетін кезде кейбір толқын ұзындықтары сіңіріледі. Линзаның барлық көлемі кемшіліктер мен біркелкі еместіктерден бос болуы керек, ал айнада тек бір беті ғана мүлтіксіз жылтыратылуы керек. Әр түрлі толқын ұзындығындағы жарық вакуумнан басқа ортада әртүрлі жылдамдықпен қозғалады. Бұл хроматикалық аберрацияға алып келеді. Оны қабылданатын деңгейге дейін төмендету әдетте екі немесе үш апертура өлшемді линзалардың үйлесімін қажет етеді (толық мәліметтер үшін ахромат және апохромат туралы қараңыз). Сондықтан мұндай жүйелердің құны апертура өлшеміне пропорционалды түрде өседі. Айнадан алынған кескін бастапқыда хроматикалық аберрациядан зардап көрмейді, ал айнаның құны оның өлшеміне қарай айтарлықтай қарапайым болады. Үлкен апертуралы линзаларды жасау және манипуляциялау кезінде құрылымдық мәселелер туындайды. Линза тек қана шетінен ұстала алатындықтан, үлкен линзаның ортасы гравитация салдарынан иіліп, оның тудыратын кескінін бұрмалайды. Рефракциялық телескоптағы ең үлкен практикалық линзаның мөлшері шамамен 1 метрді құрайды. Керісінше, айнаның бүкіл жағы оның шағылыстыратын бетіне қарсы тұрып қолдау көрсетуге мүмкіндік береді, бұл гравитациялық иілуді жеңе алатын телескоп конструкцияларын жасауға мүмкіндік береді. Қазіргі кездегі ең үлкен рефлектор конструкцияларының диаметрі 10 метрден асады.

Григориан

Шотланд астрономы және математигі Джеймс Грегори 1663 жылы жазған "Optica Promota" кітабында сипаттаған Грегориан телескопы, негізгі айнадағы тесіктен суретті кері қайтаратын, ойыс қосалқы айнаны пайдаланады. Бұл жердегі бақылаулар үшін ыңғайлы тік сурет береді. Кейбір кішкентай бақылау телескоптары әлі де осы принцип бойынша жасалады. Ватиканның озық технологиялық телескопы, Магеллан телескоптары, Үлкен бинокулярлық телескоп және Гигант Магеллан телескопы сияқты бірнеше ірі заманауи телескоптар Грегориан конфигурациясын қолданады.

Ньютондық

Ньютон телескопы – 1668 жылы Исаак Ньютон жасаған алғашқы сәттіліктің көрінісі болған рефлекторлық телескоп. Ол әдетте параболоидты негізгі айнаға ие, бірақ шамамен f/10 немесе одан ұзақ фокустық қатынастарда жоғары сапалы көру үшін шар тәрізді негізгі айна жеткілікті болуы мүмкін. Жазық екінші айна жарықты телескоп түтігінің үстіңгі жағындағы фокустық жазықтыққа шағылыстырады. Бұл берілген негізгі айнаның мөлшері үшін ең қарапайым және ең арзан конструкциялардың бірі, сонымен қатар үй жағдайында жасауды ұнататын телескоп жасаушылардың арасында кең таралған.

Кассегрен дизайны және оның түр-түрлері

Кассегрен телескопы (кейде "Классикалық Кассегрен" деп аталады) алғаш рет 1672 жылы Лоран Кассегренге жатқызылған жобада жарияланды. Ол параболалық негізгі айнаға және гиперболалық екінші айнаға ие, ол жарықты негізгі айнаның тесігі арқылы кері қайтарады. Екінші айнаның жарықты қайтару және тарату әсері ұзын ошақтық қашықтығына ие, бірақ қысқа түтіктік ұзындығы бар телескопты құрайды.

Ричи Кристиан

Ричи-Кристиан телескопы – 1910 жылдардың басында Джордж Уиллис Ричи және Анри Критиен тапқан, екі гиперболалық айнасы бар (параболалық негізгі айнаның орнына) арнайы Кассегрендік рефлектор. Негізгі және екінші айналар дұрыс пішінделген жағдайда, телескоп комадан және сфералық аберрациядан босатылады, және жақсы жазық фокус жазымына ие болады, бұл оны кең өрісті және фотографиялық байқаулар үшін өте қолайлы етеді. Әлемдегі кәсіби рефлекторлы телескоптардың басым бөлігі Ричи-Кристиан дизайнында жасалған.

Үш айналы анастигма

Үшінші қисық айнаны қосу Ричи-Кристиан дизайнындағы қалған бұрмалауды, астигматизмді түзеуге мүмкіндік береді. Бұл өте кең көру бұрыштарына жол ашады.

Далл-Киркхам

Dall–Kirkham Cassegrain телескопының дизайнын 1928 жылы Хорас Далл жасаған. 1930 жылы Scientific American журналында жарияланған мақалада оның аты аталды. Бұл мақалада әуесқой астроном Аллан Киркхам мен сол кездегі журнал редакторы Альберт Г. Ингаллс арасындағы әңгімеден кейін аталды. Ол ойыс эллипстік негізгі айнаны және дөңес сфералық екінші айнаны пайдаланады. Бұл жүйені классикалық Кассегрен немесе Ричи–Кретьен жүйесіне қарағанда өңдеу оңай болғанымен, ол осінен шыққан команы түзетпейді. Өріс қисықтығы классикалық Кассегренге қарағанда аз. Бұл ұзақ фокустық қатынастарда жақсы байқаламайтындықтан, Dall–Kirkham телескопының жылдамдығы көбінесе f/15-тен жоғары болмайды.

Одан тыс конструкциялар

Кіріс жарығын кедергілемеу үшін бірнеше конструкциялар жасалған, олар екіншілік элементті жою арқылы немесе кез келген екіншілік элементті негізгі айнаның оптикалық осінен шығару арқылы жұмыс істейді, мұндай жүйелер әдетте осьтен тыс оптикалық жүйелер деп аталады.

Гершельдік

Гершельдік рефлектор Уильям Гершельдің құрметіне аталған, ол осы конструкцияны 1789 жылы 40 футтық телескопты қоса алғанда, өте ірі телескоптар салу үшін пайдаланған. Гершельдік рефлекторда негізгі айна көлбеу орнатылған, соның арқасында бақылаушының басы келіп жатқан жарықты кедергілемейді. Бұл геометриялық бұрмалауларға әкелсе де, Гершель осы конструкцияны Ньютонның қосымша айнасын пайдаланудан қашу үшін қолданды, себебі сол кездегі спекулум металл айналары тез тозады және жарықтың 60% ғана шағылыстыра алатын.

Шейфспиглер

Кассегреннің бір түрі – Шифспиглер телескопы ("қисайған" немесе "беткей шағылыстырғыш") негізгі айнаға көлеңке түсірмеу үшін екінші айнаны көлбеу орналастырады. Дегенмен, дифракциялық суреттерді болдырмаса да, бұл кома мен астигматизмнің күшеюіне алып келеді. Бұл кемшіліктер жоғары фокустық қатынастарда шешіледі – көптеген Шифспиглерлер f/15 немесе одан да ұзын фокустық қатынастарды қолданады, бұл пайдалы байқауларды орташа көріс бұрышына сыятын нысандармен шектейді. 6" (150 мм) f/15 телескопы 1,25" окулярларды қолданып, 0,75 градусқа дейін көріс бұрышын ұсынады. Әртүрлі типтегі айналардың саны бойынша көптеген нұсқалары бар. Кюттер (оның ойлап табушысы Антон Кюттердің атымен аталған) стилінде қажет болған жағдайда (бұл каталиоптрикалық Шифспиглер) бір қуыс негізгі айна, дөңес екінші айна және екінші айна мен фокустық жазықтық арасында плано-дөңес линза қолданылады. Көп айналы Шифспиглерлердің бір түрінде қуыс негізгі айна, дөңес екінші айна және параболалық үшінші айна қолданылады. Кейбір Шифспиглерлердің ерекшелігі – айналардың бірі жарық жолында екі рет қатысуы мүмкін, әр сәуле әртүрлі меридиандық жолмен шағылысады.

Стивик-Поль

Стивик Пол телескоптары - бұл жазық диагональдық айнасы қосылған Paul 3 айналар жүйесінің осінен ауытқыған нұсқасы. Дөңгелек екіншілік айна телескопқа кіретін жарықтың жанына орналастырылады және үшіншілік айнаға параллель жарық жіберу үшін афокальды түрде позицияланады. Шұңқыр үшіншілік айна кіретін сәулеге қарағанда екіншілік дөңгелек айнадан екі есе қашықта орналасқан және оның қисықтық радиусы екіншіліктен шамалы алыс. Үшіншілік айна екіншілік айнадан параллель жарық алатындықтан, ол өз фокусында бейне жасайды. Фокус жазықтығы айналар жүйесінің ішінде орналасқан, бірақ жазық диагональдың арқасында көзге көрінеді. Стивик Пол конфигурациясы үшінші ретке дейінгі барлық оптикалық аберрациялардың қосындысы нөлге тең болады, бірақ Петцваль беті шамалы иіліспен сипатталады.

Йоло

Yolo-ны Артур С. Леонард 1960 жылдардың ортасында жасаған. Шейфспиглер сияқты, ол да кедергісіз, көлбеу рефлекторлы телескоп. Алғашқы Yolo негізгі және екінші ойыс айналардан тұрады, олардың қисықтығы бірдей және бас оське бірдей бұрылу бұрышы бар. Көптеген Yolo тороидалық рефлекторларды пайдаланады. Yolo дизайны команы жояды, бірақ маңызды астигматизмді қалдырады, ол екінші айнаның деформациясы арқылы, кейбір иілу механизмімен немесе екінші айнаға тороид пішін беру арқылы азайтылады. Шейфспиглерлер сияқты, Yolo-ның көптеген түрлері зерттелген. Қажетті тороид пішінінің мөлшерін толығымен немесе жартылай негізгі айнаға беруге болады. Үлкен фокустық қатынастардағы оптикалық жиынтықта негізгі және екінші айналар сфералық қалпында қалдырылуы мүмкін, ал екінші айна мен фокустық жазықтық арасына түзетуші линза қосылады (катадиоптриялық Yolo). Дөңес, ұзақ фокусқа ие үшінші айнаны қосу Леонардтың Солано конфигурациясына алып келеді. Солано телескобында торик беттер жоқ.

Сұйық айналы телескоптар

Телескоптың бір түрі тұрақты жылдамдықпен айналатын табадағы сұйық металдан жасалған айналдырылатын айнаны қолданады. Таба айналғанда, сұйық металл іс жүзінде шексіз өлшемді параболоид бетін қалыптастырады. Бұл 6 метрден асатын өте үлкен телескоп айналарын жасауға мүмкіндік береді, бірақ олардың қолданылуы зениттік телескоптармен ғана шектеледі.

Басты фокус

Негізгі фокус дизайнында екінші оптикалық элементтер қолданылмайды, сурет негізгі айнаның фокустық нүктесінде алынады. Фокустық нүктеде пленкалық пластинаны немесе электрондық детекторды ұстауға арналған қандай да бір құрылым болады. Бұрынғыда, өте үлкен телескоптарда, бақылаушы "байқау камерасында" телескоптың ішінде отырып, суретті тікелей көретін немесе камераны басқаратын. Бүгінде CCD камералары телескопты дүниежүзінің кез келген жерінен қашықтан басқаруға мүмкіндік береді. Негізгі фокустағы кеңістік кіріп келетін жарықты кедергісіз қалдыру қажеттілігімен күрт шектеледі. Радиотелескоптар көбінесе негізгі фокус дизайнына ие. Айна радио толқындарын шағылыстыратын металл бетімен алмастырылады, ал бақылаушы – антенна болып табылады.

Қассегрен концентрациясы

Кассегрен дизайны немесе оған ұқсас басқа да конструкциялар бойынша салынған телескоптарда бейне негізгі айнаның артында, екінші айнаның фокус нүктесінде қалыптасады. Байқаушы телескоптың арт жағынан қарап көреді, немесе камера немесе басқа құрал артқы жағына орнатылады. Кассегрен фокусы көбінесе әуесқой телескоптарында немесе кішкентай ғылыми телескоптарда қолданылады. Дегенмен, үлкен құралдары бар үлкен телескоптар үшін Кассегрен фокусындағы құрал телескоп қозғалғанда оның бірге жылжуы керек; бұл құралды ұстап тұратын конструкцияның мықтылығына қосымша талаптар қояды және обсерватория ішіндегі қабырғалар немесе жабдықтар сияқты кедергілерге соқтығыспау үшін телескоптың қозғалысын шектеуі мүмкін.

Насмиф

Насмиф дизайны Кассегрен дизайнына ұқсас, бірақ жарық негізгі айнаның ортасынан өтпейді; оның орнына үшінші айна жарықты телескоптың жанына шағылыстырып, ауыр құралдарды орнатуға мүмкіндік береді. Бұл үлкен зерттеу телескоптарында өте көп кездесетін конструкция.

Кюде

Насмит стиліндегі телескопқа қосымша оптиканы орнату, жарықты (әдетте, деклинация осі арқылы) телескоптың бағыты өзгергенде де қозғалмайтын тұрақты фокус нүктесіне жеткізеді, бұл куд фокусын (француз тіліндегі "шынтақ" сөзінен) құрайды. Кюд фокусы, Насмит фокусына немесе ESPRESSO-ға қарағанда, көрініс өрісін тарылтады. Сонымен қатар, оптикалық талшықтардың икемділігі кез келген фокустық жазықтықтан жарық жинауға мүмкіндік береді; мысалы, HARPS спектрографы ESO 3.6 м телескобының Кассеграйн фокусын пайдаланады.