Телескоп-рефлектор Ньютона: устройство и характеристики

Введение

Тип отражающего телескопа

Ньютоновский телескоп, также называемый ньютоновским рефлектором или просто ньютоном, — это тип отражающего телескопа, изобретенный английским ученым сэром Исааком Ньютоном, использующий вогнутое первичное зеркало и плоское диагональное вторичное зеркало. Первый отражающий телескоп Ньютона был завершен в 1668 году и является самым ранним известным действующим отражающим телескопом. Благодаря своей простой конструкции ньютоновский телескоп пользуется большой популярностью у любителей-астрономов.

Описание

Ньютоновский телескоп состоит из первичного зеркала или объектива, обычно имеющего параболическую форму, и меньшего плоского вторичного зеркала. Первичное зеркало собирает свет от выбранного участка неба, а вторичное зеркало перенаправляет этот свет из оптической оси под прямым углом для наблюдения в окуляр.

Преимущества ньютоновского дизайна

Они лишены хроматической аберрации, свойственной рефракционным телескопам. Ньютоновские телескопы, как правило, дешевле для заданного диаметра объектива (или апертуры), чем телескопы других типов сопоставимого качества. Поскольку необходимо обработать и отполировать только одну поверхность сложной формы, их изготовление в целом значительно проще, чем у других конструкций телескопов (грегорианские, кассегреновские и ранние рефракторы требовали обработки двух поверхностей. Позднее ахроматические рефракторные объективы имели четыре поверхности, требующие фигурирования). Легче добиться короткого фокусного отношения, что обеспечивает более широкое поле зрения. Окуляр располагается в верхней части телескопа. В сочетании с коротким фокусным отношением это позволяет создать более компактную систему монтировки, снизить стоимость и повысить портативность.

Недостатки ньютоновского дизайна

Ньютоновские телескопы, как и другие отражающие конструкции с параболическими зеркалами, подвержены коме – внеосевому аберрационному искажению, из-за которого изображение размывается внутрь и к оптической оси (звезды у края поля зрения приобретают форму комет). Эта вспышка отсутствует на оси, линейно возрастает с увеличением угла поля зрения и обратно пропорциональна квадрату фокусного отношения зеркала (фокусного расстояния зеркала, деленного на диаметр зеркала). Формула для тангенциальной комы третьего порядка: 3θ / 16F², где θ – угол отклонения от оси изображения в радианах, а F – фокусное отношение. Считается, что у ньютоновских телескопов с фокусным отношением f/6 или меньше (например, f/5) кома становится все более выраженной при визуальных или фотографических наблюдениях. Первичные зеркала с малым фокусным отношением можно комбинировать с линзами, корректирующими кому, для повышения резкости изображения по всему полю зрения. В ньютоновских телескопах присутствует центральное затенение из-за вторичного зеркала на пути светового потока. Это затенение, а также дифракционные лучи, вызванные опорной структурой (называемой "пауком") вторичного зеркала, снижают контраст. Визуально эти эффекты можно уменьшить, используя двух- или трехногий изогнутый паук. Это снижает интенсивность дифракционных боковых лепестков примерно в четыре раза и способствует улучшению контраста изображения, хотя круговые пауки более подвержены вибрациям, вызванным ветром. Для портативных ньютоновских телескопов коллимация может быть проблемой. Первичное и вторичное зеркала могут смещаться из-за ударов при транспортировке и обращении. Это означает, что телескоп может потребовать повторной настройки (коллимации) каждый раз при установке. Другие конструкции, такие как рефракторы и катадиоптрики (в частности, кассегрены Максутова), имеют фиксированную коллимацию. Фокальная плоскость расположена в асимметричной точке и в верхней части оптической трубы. При визуальных наблюдениях, особенно на экваториальных монтировках, ориентация трубы может поместить окуляр в неудобное положение, а для больших телескопов для доступа к нему могут потребоваться лестницы или вспомогательные конструкции. Некоторые конструкции предусматривают механизмы для вращения окулярного узла или всей трубы в более удобное положение. Для исследовательских телескопов необходимо учитывать необходимость балансировки очень тяжелых инструментов, установленных в этом фокусе.

Newtonians, like other reflecting telescope designs using parabolic mirrors, suffer from coma, an off axis aberration which causes imagery to flare inward and towards the optical axis (stars towards edge of the field of view take on a comet like shape). This flare is zero on axis, and is linear with increasing field angle and inversely proportional to the square of the mirror focal ratio (the mirror focal length divided by the mirror diameter). The formula for third order tangential coma is 3θ / 16F², where θ is the angle off axis to the image in radians and F is the focal ratio. Newtonians with a focal ratio of f/6 or lower (f/5 for example) are considered to have increasingly serious coma for visual or photographic use. Low focal ratio primary mirrors can be combined with lenses that correct for coma to increase image sharpness over the field. Newtonians have a central obstruction due to the secondary mirror in the light path. This obstruction and also the diffraction spikes caused by the support structure (called the "spider") of the secondary mirror reduce contrast. Visually, these effects can be reduced by using a two or three legged curved spider. This reduces the diffraction sidelobe intensities by a factor of about four and helps to improve image contrast, with the potential penalty that circular spiders are more prone to wind induced vibration. For portable Newtonians collimation can be a problem. The primary and secondary can get out of alignment from the shocks associated with transport and handling. This means the telescope may need to be re aligned (collimated) every time it is set up. Other designs such as refractors and catadioptrics (specifically Maksutov cassegrains) have fixed collimation. The focal plane is at an asymmetrical point and at the top of the optical tube assembly. For visual observing, most notably on equatorial mounts, tube orientation can put the eyepiece in a very poor viewing position, and larger telescopes require ladders or support structures to access it. Some designs provide mechanisms for rotating the eyepiece mount or the entire tube assembly to a better position. For research telescopes, counterbalancing very heavy instruments mounted at this focus has to be taken into consideration.

Вариации

Существует несколько вариантов конструкции Ньютона, в которые добавляется линза в оптическую систему, создавая катадиоптрический телескоп. Это делается для коррекции сферической аберрации или снижения себестоимости.

Шмидт-Ньютонов

Шмидто-Ньютоновский телескоп сочетает в себе оптическую схему Ньютона с пластиной корректора Шмидта, охватывающей всю апертуру, расположенной перед главным зеркалом. Эта пластина не только исправляет сферическую аберрацию, но и может служить опорой для вторичного зеркала. В результате система демонстрирует меньшую выраженность комы и дифракционных эффектов, вызванных конструкцией вторичного зеркала.

Максутов Ньютоновский

Подобно телескопу Шмидта-Ньютона, корректор в форме мениска телескопа Максутова может быть добавлен к ньютоновской схеме, что обеспечивает минимальные аберрации на широком поле зрения – с комой, составляющей одну четвертую от комы аналогичного стандартного ньютоновского телескопа и половину комы телескопа Шмидта-Ньютона. Дифракцию также можно минимизировать, используя высокое фокусное отношение с пропорционально малым диагональным зеркалом, установленным на корректоре.

Джонс Птица

Джонс-Бёрд-Ньютоновский (иногда называемый Bird-Jones) использует сферическое первичное зеркало вместо параболического, при этом сферические аберрации корректируются линзой корректора суб-апертуры, обычно устанавливаемой внутри трубки фокусировщика или перед вторичным зеркалом. Эта конструкция уменьшает размер и стоимость телескопа за счет более короткой общей длины трубы телескопа (при этом корректор увеличивает фокусное расстояние в компоновке типа "телефото") и использования менее дорогого сферического зеркала. Коммерчески выпускаемые версии этой конструкции часто имеют оптические недостатки из-за сложности изготовления корректора суб-апертуры точной формы и ориентированы на бюджетный сегмент рынка телескопов.

История

Идея Ньютона о создании отражающего телескопа не была новой. Галилео Галилей и Джованни Франческо Сагредо обсуждали использование зеркала в качестве объектива, формирующего изображение, вскоре после изобретения преломляющего телескопа, а другие, такие как Никколо Зукки, утверждали, что экспериментировали с этой идеей еще в 1616 году. Ньютон, возможно, даже читал книгу Джеймса Грегори «Optica Promota» 1663 года, в которой описывались конструкции отражающих телескопов с использованием параболических зеркал (телескоп, который Грегори безуспешно пытался построить). Ньютон построил свой отражающий телескоп, потому что подозревал, что он может доказать его теорию о том, что белый свет состоит из спектра цветов. Цветовое искажение (хроматическая аберрация) было основным недостатком преломляющих телескопов в эпоху Ньютона, и существовало множество теорий относительно его причин. В середине 1660-х годов, работая над теорией цвета, Ньютон пришел к выводу, что этот дефект вызван тем, что линза преломляющего телескопа ведет себя так же, как призма, с которой он экспериментировал, разлагая белый свет на радугу цветов вокруг ярких астрономических объектов. Если это было правдой, то хроматическую аберрацию можно было бы устранить, построив телескоп, который не использует линзу – отражающий телескоп. В конце 1668 года Исаак Ньютон построил свой первый отражающий телескоп. Он выбрал сплав (спекулум) из олова и меди в качестве наиболее подходящего материала для своего объективного зеркала. Позже он разработал способы формовки и шлифовки зеркала и, возможно, первым использовал полировальный круг из сукна для полировки оптической поверхности. Он выбрал сферическую форму для своего зеркала вместо параболической, чтобы упростить конструкцию; даже если это привело бы к сферической аберрации, это все равно исправило бы хроматическую аберрацию. Он добавил к своему рефлектору то, что является отличительной чертой конструкции ньютоновского телескопа – вторичное зеркало, установленное по диагонали вблизи фокуса первичного зеркала, чтобы отражать изображение под углом 90° на окуляр, установленный сбоку телескопа. Это уникальное дополнение позволяло наблюдать изображение с минимальным перекрытием объективного зеркала. Он также изготовил трубу, монтировку и фурнитуру. Первая версия Ньютона имела диаметр первичного зеркала и фокусное отношение f/5. Он обнаружил, что телескоп работает без цветовых искажений и что с его помощью можно было видеть четыре галилеевых спутника Юпитера и фазу Венеры. Друг Ньютона, Исаак Барроу, показал второй телескоп небольшой группе членов Лондонского королевского общества в конце 1671 года. Они были так впечатлены, что в январе 1672 года продемонстрировали его Карлу II. В том же году Ньютон был принят в члены общества. Как и Грегори до него, Ньютону было трудно построить эффективный рефлектор. Было сложно шлифовать спекулум до правильной кривизны. Поверхность также быстро тускнела; вследствие низкой отражающей способности зеркала и его небольшого размера изображение в телескоп было очень слабым по сравнению с современными рефракторами. Из-за этих трудностей в изготовлении ньютоновский отражающий телескоп изначально не получил широкого распространения. В 1721 году Джон Хэдли продемонстрировал Королевскому обществу значительно улучшенную модель. Хэдли решил многие проблемы, связанные с изготовлением параболического зеркала. Его ньютоновский телескоп с диаметром зеркала в сравнивался по своим характеристикам с большими воздушными рефракционными телескопами того времени.

Newton's idea for a reflecting telescope was not new. Galileo Galilei and Giovanni Francesco Sagredo had discussed using a mirror as the image forming objective soon after the invention of the refracting telescope, and others, such as Niccolò Zucchi, claimed to have experimented with the idea as far back as 1616. Newton may even have read James Gregory's 1663 book Optica Promota which described reflecting telescope designs using parabolic mirrors (a telescope Gregory had been trying unsuccessfully to build). Newton built his reflecting telescope because he suspected it could prove his theory that white light is composed of a spectrum of colours. Colour distortion (chromatic aberration) was the primary fault of refracting telescopes of Newton's day, and there were many theories as to what caused it. During the mid 1660s with his work on the theory of colour, Newton concluded this defect was caused by the lens of the refracting telescope behaving the same as prisms he was experimenting with, breaking white light into a rainbow of colours around bright astronomical objects. If this were true, then chromatic aberration could be eliminated by building a telescope which did not use a lens – a reflecting telescope. In late 1668 Isaac Newton built his first reflecting telescope. He chose an alloy (speculum metal) of tin and copper as the most suitable material for his objective mirror. He later devised means for shaping and grinding the mirror and may have been the first to use a pitch lap to polish the optical surface. He chose a spherical shape for his mirror instead of a parabola to simplify construction; even though it would introduce spherical aberration, it would still correct chromatic aberration. He added to his reflector what is the hallmark of the design of a Newtonian telescope, a secondary diagonally mounted mirror near the primary mirror's focus to reflect the image at a 90° angle to an eyepiece mounted on the side of the telescope. This unique addition allowed the image to be viewed with minimal obstruction of the objective mirror. He also made the tube, mount, and fittings. Newton's first version had a primary mirror diameter of and a focal ratio of f/5. He found that the telescope worked without colour distortion and that he could see the four Galilean moons of Jupiter and the crescent phase of the planet Venus with it. Newton's friend Isaac Barrow showed a second telescope to a small group from the Royal Society of London at the end of 1671. They were so impressed with it that they demonstrated it to Charles II in January 1672. Newton was admitted as a fellow of the society in the same year. Like Gregory before him, Newton found it hard to construct an effective reflector. It was difficult to grind the speculum metal to a regular curvature. The surface also tarnished rapidly; the consequent low reflectivity of the mirror and also its small size meant that the view through the telescope was very dim compared to contemporary refractors. Because of these difficulties in construction, the Newtonian reflecting telescope was initially not widely adopted. In 1721 John Hadley showed a much improved model to the Royal Society. Hadley had solved many of the problems of making a parabolic mirror. His Newtonian with a mirror diameter of compared favourably with the large aerial refracting telescopes of the day.