Введение

Тип оптического телескопа

Рефрактор (также называемый рефракционным телескопом) – это тип оптического телескопа, использующий линзу в качестве объектива для формирования изображения (также называемый диоптрическим телескопом). Конструкция рефрактора изначально применялась в подзорных трубах и астрономических телескопах, но также используется в объективах камер с большим фокусным расстоянием. Хотя крупные рефракторы были весьма популярны во второй половине XIX века, для большинства исследовательских целей рефракторные телескопы уступили место рефлекторным телескопам, позволяющим создавать объективы большего диаметра. Увеличение рефрактора вычисляется путем деления фокусного расстояния объектива на фокусное расстояние окуляра. Рефракторные телескопы обычно состоят из линзы, расположенной в передней части, длинной трубы и окуляра или прибора в задней части, где формируется изображение. Изначально телескопы имели объектив из одного элемента, но спустя столетие стали изготавливать линзы из двух и даже трех элементов. Технологии, используемые в рефракторах, часто применяются и в других оптических приборах, таких как бинокли, зум-объективы, телеобъективы и объективы с большим фокусным расстоянием.

Изобретение

Рефракторы были самым ранним типом оптического телескопа. Первое упоминание о рефракторе появилось в Нидерландах около 1608 года, когда мастер очков из Миддельбурга по имени Ханс Липпершей безуспешно попытался запатентовать его. Весть о патенте быстро распространилась, и Галилео Галилей, находившийся в Венеции в мае 1609 года, узнал об этом изобретении, сконструировал собственный экземпляр и использовал его для астрономических открытий.

Рефракторные телескопы

Все рефракционные телескопы используют одни и те же принципы. Комбинация объективной линзы 1 и некоторого типа окуляра 2 используется для сбора большего количества света, чем способен собрать человеческий глаз самостоятельно, фокусировки его 5 и представления зрителю более яркого, четкого и увеличенного виртуального изображения 6. Объектив в рефракционном телескопе преломляет или искривляет свет. Это преломление заставляет параллельные световые лучи сходиться в фокальной точке, а непараллельные – на фокальной плоскости. Телескоп преобразует пучок параллельных лучей, образующих угол α с оптической осью, во второй параллельный пучок с углом β. Отношение β/α называется угловым увеличением и равно отношению размеров изображений на сетчатке, полученных с использованием телескопа и без него. Рефракционные телескопы могут иметь различные конфигурации для коррекции ориентации изображения и типов аберраций. Поскольку изображение формируется за счет преломления света, эти телескопы называются рефракционными телескопами или рефракторами.

Галилейский телескоп

Дизайн, который использовал Галилео Галилей около 1609 года, обычно называют галилеевским телескопом. Он использовал собирающую (плано-выпуклую) объективную линзу и рассеивающую (плано-вогнутую) окулярную линзу (Галилео, 1610). Галилеевский телескоп, поскольку конструкция не имеет промежуточного фокуса, формирует неперевернутое и, с помощью некоторых устройств, прямое изображение. Самый мощный телескоп Галилея позволил ему наблюдать четыре крупнейших спутника Юпитера и фазы Венеры. Параллельные лучи света от удаленного объекта (y) фокусируются в фокальной плоскости объективной линзы (F′ L1 / y′). Рассеивающая (окулярная) линза (L2) перехватывает эти лучи и снова делает их параллельными. Непараллельные лучи света от объекта, идущие под углом α1 к оптической оси, после прохождения через окуляр движутся под большим углом (α2 > α1). Это приводит к увеличению кажущегося углового размера и обеспечивает воспринимаемое увеличение. Конечное изображение (y″) является виртуальным, расположенным в бесконечности и ориентированным так же, как и объект.

Кеплеровский телескоп

Кеплеровский телескоп, изобретенный Иоганном Кеплером в 1611 году, является усовершенствованием конструкции Галилея. В нем в качестве окуляра используется выпуклая линза, в отличие от вогнутой линзы Галилея. Преимущество этой схемы заключается в том, что лучи света, выходящие из окуляра, сходятся. Это обеспечивает гораздо более широкое поле зрения и большее расстояние от глаза до окуляра, но изображение для наблюдателя инвертировано. С помощью этой конструкции можно достичь значительно больших увеличений, однако, как и в случае с галилеевским телескопом, он по-прежнему использует простую объективную линзу из одного элемента, поэтому для снижения аберраций необходимо очень большое фокусное отношение (Иоганн Гевелий построил громоздкий телескоп с f/225 и объективом, а также с фокусным расстоянием 150 футов (46 м), и были построены еще более длинные беструбные "воздушные телескопы"). Конструкция также позволяет использовать микрометр в фокальной плоскости (для определения углового размера и/или расстояния между наблюдаемыми объектами). Гюйгенс построил воздушный телескоп для Королевского общества Лондона с одноэлементной линзой диаметром 19 см (7,5 дюймов).

Рефракторы апохроматические

Апохроматические рефракторы имеют объективы, изготовленные из специальных материалов с очень низкой дисперсией. Они предназначены для фокусировки трех длин волн (обычно красного, зеленого и синего) в одной плоскости. Остаточная цветовая ошибка (вторичный спектр) может быть на порядок меньше, чем у ахроматической линзы. Такие телескопы содержат элементы фторита или специального стекла с очень низкой дисперсией (ED) в объективе и создают очень четкое изображение, практически лишенное хроматических аберраций. Из-за специальных материалов, необходимых для изготовления, апохроматические рефракторы обычно дороже, чем телескопы других типов с сопоставимой апертурой. В XVIII веке Долонд, известный производитель дублетных телескопов, также изготавливал триплетные объективы, хотя они не были столь популярны, как телескопы с двумя элементами. Он признан одним из важнейших конструкций объективов в области фотографии. Тройка Кука способна корректировать, всего лишь тремя элементами, аберрации: сферическую, кому, астигматизм, искривление поля и дисторсию. Существует также проблема дефектов стекла – полос или небольших воздушных пузырьков внутри стекла. Кроме того, стекло непрозрачно для определенных длин волн, и даже видимый свет ослабевает из-за отражения и поглощения при прохождении через границы раздела воздух-стекло и внутри самого стекла. Большинство этих проблем избегаются или уменьшаются в рефлекторных телескопах, которые могут быть изготовлены с гораздо большей апертурой и практически вытеснили рефракторы из астрономических исследований. На борту МКС WAC на аппаратах "Вояджер-1/2" использовалась 6-сантиметровая (2,36″) линза, запущенная в космос в конце 1970-х годов – пример использования рефракторов в космических аппаратах.