Введение

Телескопы, использующие изогнутые зеркала для формирования изображения.

Отражающий телескоп (также называемый рефлектором) – это телескоп, использующий одно или комбинацию изогнутых зеркал для отражения света и формирования изображения. Отражающий телескоп был изобретен в XVII веке Исааком Ньютоном как альтернатива преломляющему телескопу, который в то время страдал от сильной хроматической аберрации. Хотя отражающие телескопы подвержены и другим видам оптических аберраций, эта конструкция позволяет создавать объективы очень большого диаметра. Почти все крупные телескопы, используемые в астрономических исследованиях, являются рефлекторами. Существует множество различных конструкций, некоторые из которых включают дополнительные оптические элементы для улучшения качества изображения или обеспечения более удобного механического положения изображения. Поскольку в отражающих телескопах используются зеркала, такую конструкцию иногда называют катоптическим телескопом. С времен Ньютона до 1800-х годов зеркала изготавливались из металла, обычно из спекуляционного сплава. К этому типу относятся первые конструкции Ньютона и самый большой телескоп XIX века – «Левиафан» из Парсонстауна с металлическим зеркалом шириной 6 футов (2 м). В XIX веке новый метод, использующий стеклянный блок с тонким серебряным покрытием, стал набирать популярность к началу XX века. Распространенные телескопы, такие как телескопы Кросли и Гарвардские, способствовали улучшению репутации отражающих телескопов, поскольку конструкции с металлическими зеркалами имели свои недостатки. В частности, металлические зеркала отражали лишь около половины света и со временем тускнели. После многократной полировки и потускнения зеркало могло терять необходимую точность формы. Отражающие телескопы стали чрезвычайно популярными в астрономии, и многие известные телескопы, такие как космический телескоп Хаббл, а также популярные любительские модели используют эту конструкцию. Кроме того, принцип рефлекторного телескопа был применен к другим электромагнитным длинам волн, и, например, рентгеновские телескопы также используют принцип отражения для создания формирующей изображения оптики.

История

Идея о том, что изогнутые зеркала ведут себя как линзы, восходит по крайней мере к трактату Альхазена об оптике XI века, который широко распространялся в латинских переводах в ранней Новой Европе. Вскоре после изобретения преломляющего телескопа Галилей, Джованни Франческо Сагредо и другие, вдохновленные знанием принципов изогнутых зеркал, обсуждали идею создания телескопа, использующего зеркало в качестве объектива для формирования изображения. Сообщалось, что болонский ученый Чезаре Караваджи построил такой телескоп около 1626 года, а итальянский профессор Никколо Зукки в более поздней работе писал, что экспериментировал с вогнутым бронзовым зеркалом в 1616 году, но признавал, что не получил удовлетворительного изображения. Наиболее заметным был Джеймс Грегори, опубликовавший в 1663 году инновационный проект «отражающего» телескопа. Прошло десять лет (1673 год), прежде чем экспериментатор Роберт Гук смог построить телескоп такого типа, который стал известен как телескоп Грегори. За пять лет до того, как Гук построил первый телескоп Грегори, и через пять лет после разработки проекта Грегори, Исаак Ньютон в 1668 году построил свой собственный отражающий телескоп, который обычно считается первым отражающим телескопом. В нем использовалось сферически отшлифованное металлическое главное зеркало и небольшое диагональное зеркало в оптической схеме, получившей название телескопа Ньютона. Несмотря на теоретические преимущества конструкции отражателя, сложность изготовления и низкая эффективность зеркал из спекулационного металла, использовавшихся в то время, потребовали более 100 лет, чтобы они стали широко распространенными. Многие усовершенствования в области отражающих телескопов включали совершенствование технологии изготовления параболических зеркал в XVIII веке, зеркала из стекла с серебряным покрытием в XIX веке (созданные Леоном Фуко в 1858 году), долговечные алюминиевые покрытия в XX веке, сегментированные зеркала для увеличения диаметра и активную оптику для компенсации гравитационных деформаций. Инновацией середины XX века стали катадиоптрические телескопы, такие как камера Шмидта, использующие как сферическое зеркало, так и линзу (называемую корректирующей пластиной) в качестве основных оптических элементов, в основном предназначенные для получения изображений широкого поля без сферической аберрации. В конце XX века были разработаны адаптивная оптика и метод «удачного изображения» для преодоления проблем, связанных с турбулентностью атмосферы, и отражающие телескопы стали повсеместно использоваться на космических телескопах и многих типах аппаратуры для получения изображений на космических аппаратах.

Технические соображения

Изогнутое главное зеркало является основным оптическим элементом рефлекторного телескопа, создающим изображение в фокальной плоскости. Расстояние от зеркала до фокальной плоскости называется фокусным расстоянием. В этой плоскости может быть расположен фотоплёночный или цифровой сенсор для регистрации изображения, либо добавлено вторичное зеркало для изменения оптических характеристик и/или перенаправления света на фотоплёнку, цифровые сенсоры или окуляр для визуальных наблюдений. Главное зеркало в большинстве современных телескопов состоит из цельного стеклянного цилиндра, чья передняя поверхность отшлифована до сферической или параболической формы. На зеркало наносится тонкий слой алюминия в вакууме, формируя высокоотражающее зеркало первого порядка. В некоторых телескопах используются главные зеркала, изготовленные иным способом. Расплавленное стекло вращается для придания его поверхности параболоидной формы и продолжает вращаться во время охлаждения и затвердевания. (См. Вращающаяся печь.) Полученная форма зеркала приближена к желаемой параболоидной форме, что требует минимальной шлифовки и полировки для достижения необходимой точности.

Оптические ошибки

Отражающие телескопы, как и любая другая оптическая система, не формируют "идеальные" изображения. Необходимость получать изображения объектов на расстояниях до бесконечности, наблюдать их в различных диапазонах длин волн света, а также потребность в способе визуализации изображения, создаваемого главным зеркалом, означает, что оптическая схема отражающего телескопа всегда содержит определенные компромиссы. Поскольку главное зеркало фокусирует свет в общую точку перед своей отражающей поверхностью, почти во всех конструкциях отражающих телескопов имеется вторичное зеркало, держатель пленки или детектор вблизи этой фокальной точки, частично перекрывающие свет, достигающий главного зеркала. Это не только уменьшает количество света, собираемого системой, но и снижает контраст изображения из-за дифракционных эффектов, вызванных перекрытием, а также дифракционных лучей, возникающих из-за большинства опорных конструкций вторичного зеркала. Использование зеркал позволяет избежать хроматической аберрации, но они подвержены другим видам аберраций. Простое сферическое зеркало не может сфокусировать свет от удаленного объекта в одну точку, поскольку отражение лучей, попадающих на зеркало у его края, не сходится с отражением от центральной части зеркала – этот дефект называется сферической аберрацией. Чтобы избежать этой проблемы, большинство отражающих телескопов используют зеркала параболической формы, способные сфокусировать весь свет в одной точке. Параболические зеркала хорошо работают с объектами вблизи центра создаваемого ими изображения (свет, движущийся параллельно оптической оси зеркала), но к краю поля зрения они страдают от аберраций вне оси:

Кома – аберрация, при которой точечные источники (звезды) в центре изображения фокусируются в точку, но обычно выглядят как "кометные" радиальные размытия, усиливающиеся к краям изображения. Кривизна поля – наилучшая плоскость изображения обычно изогнута, что может не соответствовать форме детектора и приводит к ошибке фокусировки по всему полю. Иногда она корректируется с помощью линзы коррекции кривизны поля. Астигматизм – азимутальное изменение фокуса вблизи апертуры, из-за чего изображения точечных источников вне оси выглядят эллиптическими. Астигматизм обычно не является проблемой при узком поле зрения, но при широком поле зрения он быстро усиливается и изменяется квадратично с углом поля. Искажение – искажение не влияет на резкость изображения, но изменяет форму объектов. Иногда оно корректируется с помощью обработки изображений. Существуют конструкции отражающих телескопов, использующие модифицированные зеркальные поверхности (например, телескоп Ритчи-Кретьена) или корректирующие линзы (например, катадиоптрические телескопы), которые корректируют некоторые из этих аберраций.

Использование в астрономических исследованиях

Почти все крупные исследовательские астрономические телескопы – это рефлекторы. На это есть несколько причин: рефлекторы работают в более широком спектре света, поскольку определенные длины волн поглощаются при прохождении через стеклянные элементы, как в рефракторах или катадиоптрических телескопах. В линзе весь объем материала должен быть безупречным и однородным, в то время как в зеркале идеально отполирована только одна поверхность. Свет разных длин волн распространяется в среде, отличной от вакуума, с разной скоростью, что вызывает хроматическую аберрацию. Уменьшение этой аберрации до приемлемого уровня обычно требует комбинации из двух или трех линз, соответствующих размеру апертуры (подробнее см. статьи об ахроматах и апохроматах). Стоимость таких систем, следовательно, существенно возрастает с увеличением апертуры. Изображение, полученное с помощью зеркала, изначально не страдает от хроматической аберрации, а стоимость зеркала увеличивается с его размером гораздо умереннее. Существуют конструктивные проблемы, связанные с изготовлением и использованием линз большой апертуры. Поскольку линзу можно закрепить только по краю, центр большой линзы будет прогибаться под действием силы тяжести, искажая формируемое изображение. Максимальный практический размер линзы в рефракторе составляет около 1 метра. В отличие от этого, зеркало можно поддерживать всей стороной, противоположной отражающей поверхности, что позволяет создавать конструкции рефлекторов, способные противостоять гравитационному прогибу. Диаметр самых больших современных рефлекторов превышает 10 метров.

Грегорианский

Грегорианский телескоп, описанный шотландским астрономом и математиком Джеймсом Грегори в его книге Optica Promota, вышедшей в 1663 году, использует вогнутое вторичное зеркало, которое отражает изображение обратно через отверстие в главном зеркале. Это создает прямое изображение, полезное для наземных наблюдений. Некоторые небольшие зрительные трубы до сих пор изготавливаются по этой схеме. Существует несколько крупных современных телескопов, использующих григорианскую конфигурацию, таких как телескоп Ватикана с передовыми технологиями, телескопы Магеллана, Большой бинокулярный телескоп и Гигантский телескоп Магеллана.

Ньютоновская

Ньютоновский телескоп был первым успешным отражающим телескопом, завершённым Исааком Ньютоном в 1668 году. Обычно он оснащается параболоидным первичным зеркалом, но при фокусных отношениях около f/10 и более для достижения высокого визуального разрешения может быть достаточно сферического первичного зеркала. Плоское вторичное зеркало отражает свет в фокальную плоскость, расположенную сбоку верхней части трубы телескопа. Это одна из самых простых и недорогих конструкций для заданного размера первичного зеркала, и она популярна среди любителей-астрономов как проект для самостоятельной сборки.

Дизайн Кассеграна и его вариации

Телескоп Кассегрена (иногда называемый "Классическим Кассегреном") впервые был описан в конструкции 1672 года, автором которой считается Лоран Кассегрен. Он имеет параболическое главное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, отражающее свет обратно через отверстие в главном зеркале. Сворачивающий и увеличивающий угол обзора эффект вторичного зеркала позволяет создать телескоп с большим фокусным расстоянием при относительно короткой длине трубы.

Ричи Кристиан

Телескоп Ричи-Кристиан, изобретенный Джорджем Уиллисом Ричи и Анри Критьеном в начале 1910-х годов, является специализированным рефлектором Кассегрена, использующим два гиперболических зеркала (вместо параболического первичного зеркала). Он не имеет комы и сферической аберрации на почти плоской фокальной плоскости при правильной форме первичного и вторичного зеркал, что делает его особенно подходящим для наблюдений широких полей и астрофотографии. Почти все профессиональные рефлекторные телескопы в мире построены по схеме Ричи-Кристиан.

Трехзеркальная анастигма

Использование третьего изогнутого зеркала позволяет скорректировать оставшуюся дисторсию и астигматизм, присущие схеме Ритчи-Кретьена. Это обеспечивает значительно большее поле зрения.

Далл Киркхэм

Дизайн телескопа Далла–Киркхема Кассегрена был разработан Горацием Даллом в 1928 году и получил свое название в статье, опубликованной в журнале Scientific American в 1930 году после обсуждения между астрономом-любителем Алланом Киркхэмом и редактором журнала Альбертом Г. Ингаллсом. В нем используется вогнутое эллиптическое главное зеркало и выпуклое сферическое вторичное зеркало. Хотя эту систему проще изготовить, чем классическую систему Кассегрена или Ричи–Кретьена, она не корректирует астигматизм и кому вне оси. Кривизна поля, напротив, меньше, чем у классического Кассегрена. Поскольку это менее заметно при больших фокусных отношениях, телескопы Далла–Киркхема редко имеют относительное отверстие меньше f/15.

Дизайн вне оси

Существует несколько конструкций, которые стремятся избежать затенения входящего света за счет устранения вторичного зеркала или смещения любого вторичного элемента от оптической оси первичного зеркала, что обычно называют внеосевыми оптическими системами.

Гершельский

Гершелевский рефлектор назван в честь Уильяма Гершеля, который использовал эту конструкцию для создания очень больших телескопов, включая 40-футовый телескоп в 1789 году. В гершелевском рефлекторе главное зеркало наклонено таким образом, чтобы голова наблюдателя не перекрывала входящий свет. Хотя это и приводит к геометрическим аберрациям, Гершель применил эту конструкцию, чтобы избежать использования ньютоновского вторичного зеркала, поскольку зеркала из спекула, применявшиеся в то время, быстро тускнели и могли достигать лишь 60% отражающей способности.

Шейфспиглер

Вариант схемы Кассегрена, телескоп Шифспиглер («косой» или «наклонный отражатель») использует наклонные зеркала, чтобы вторичное зеркало не затеняло первичное. Однако, устраняя дифракционные явления, это приводит к увеличению комы и астигматизма. Эти дефекты становятся управляемыми при больших фокусных отношениях — большинство Шифспиглеров используют f/15 и более, что ограничивает полезные наблюдения объектами, умещающимися в поле зрения умеренного размера. 6-дюймовый (150 мм) телескоп с f/15 обеспечивает максимальное поле зрения 0,75 градуса при использовании окуляров 1,25 дюйма. Существует множество вариаций, с различным количеством зеркал разных типов. В конструкции Куттера (названной в честь её изобретателя Антона Куттера) используется одно вогнутое первичное зеркало, выпуклое вторичное зеркало и плоско-выпуклая линза между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью, при необходимости (это относится к катадиоптрическому Шифспиглеру). Одна из вариаций многозеркального Шифспиглера использует вогнутое первичное зеркало, выпуклое вторичное зеркало и параболическое третичное зеркало. Одной из интересных особенностей некоторых Шифспиглеров является то, что одно из зеркал может участвовать в световом пути дважды — каждый луч отражается по разному меридиональному пути.

Стивик-Поль

Телескопы Stevick Paul – это внеосевые версии трехзеркальных систем Paul 3 с добавленным плоским диагональным зеркалом. Выпуклое вторичное зеркало располагается чуть в стороне от входящего в телескоп света и позиционируется афокально, чтобы направить параллельный пучок на третичное зеркало. Вогнутое третичное зеркало расположено ровно в два раза дальше от входящего пучка, чем выпуклое вторичное, и на расстоянии, равном радиусу его кривизны, от вторичного зеркала. Поскольку третичное зеркало получает параллельный свет от вторичного, оно формирует изображение в своем фокусе. Фокальная плоскость находится внутри системы зеркал, но становится доступной для наблюдения с помощью плоской диагонали. Конфигурация Stevick Paul обеспечивает компенсацию всех оптических аберраций до третьего порядка, за исключением поверхности Петцваля, которая имеет небольшую кривизну.

Йоло

Yolo был разработан Артуром С. Леонардом в середине 1960-х годов. Как и Шейфспиглер, это незаслоняющий, наклонный рефлекторный телескоп. Оригинальный Yolo состоит из первичного и вторичного вогнутых зеркал, имеющих одинаковую кривизну и одинаковый угол наклона к главной оси. Большинство Yolo используют тороидальные отражатели. Конструкция Yolo устраняет кому, но оставляет значительный астигматизм, который уменьшается путем деформации вторичного зеркала с помощью системы деформирования или, альтернативно, путем полировки вторичного зеркала до тороидальной формы. Как и в случае с Шейфспиглерами, было разработано множество вариантов Yolo. Необходимая степень тороидальности может быть полностью или частично перенесена на первичное зеркало. В оптических системах с большим фокусным отношением как первичное, так и вторичное зеркала могут оставаться сферическими, а между вторичным зеркалом и фокальной плоскостью добавляется корректирующая линза (катадиоптический Yolo). Добавление выпуклого, длиннофокусного третичного зеркала приводит к конфигурации Солано, разработанной Леонардом. Телескоп Солано не содержит торических поверхностей.

Телескопы с жидкими зеркалами

В одном из конструкций телескопа используется вращающееся зеркало, состоящее из жидкого металла в поддоне, вращающемся с постоянной скоростью. По мере вращения поддона жидкость формирует параболоидную поверхность практически неограниченного размера. Это позволяет создавать очень большие телескопические зеркала (диаметром более 6 метров), но их применение ограничено зенитными телескопами.

Основная фокусировка

В схеме с первичным фокусом не используется вторичная оптика, изображение получается в фокальной точке главного зеркала. В этой точке располагается конструкция для крепления фотопластины или электронного детектора. Ранее, в очень больших телескопах, наблюдатель находился внутри телескопа в специальной "кабине наблюдения", чтобы непосредственно видеть изображение или управлять камерой. Сегодня же, благодаря ПЗС-камерам, телескопом можно управлять дистанционно практически из любой точки мира. Пространство вблизи первичного фокуса сильно ограничено необходимостью не загораживать поступающий свет. Радиотелескопы часто используют схему с первичным фокусом. Зеркало заменяется металлической поверхностью для отражения радиоволн, а роль наблюдателя выполняет антенна.

Фокус казеграна

Для телескопов, построенных по схеме Кассегрена или другим схожим схемам, изображение формируется за главным зеркалом, в фокусе вторичного зеркала. Наблюдатель ведет наблюдение через заднюю часть телескопа, или к задней части прикрепляется камера или другой инструмент. Фокус Кассегрена обычно используется в любительских телескопах или небольших исследовательских телескопах. Однако для больших телескопов с соответствующими по размеру инструментами, инструмент, установленный в фокусе Кассегрена, должен перемещаться вместе с телескопом при его наведении; это предъявляет дополнительные требования к прочности конструкции, поддерживающей инструмент, и потенциально ограничивает диапазон движения телескопа, чтобы избежать столкновения с препятствиями, такими как стены или оборудование внутри обсерватории.

Насмит

Конструкция Насмита аналогична схеме Кассегрена, за исключением того, что свет не проходит через отверстие в главном зеркале; вместо этого третье зеркало отражает свет вбок от телескопа, обеспечивая возможность установки тяжелого оборудования. Эта схема широко используется в крупных исследовательских телескопах.

Куде

Добавление дополнительной оптики к телескопу системы Насмита для направления света (обычно через ось склонения) в фиксированную точку фокусировки, которая не смещается при переориентации телескопа, создает фокус Куде (от французского слова, означающего "локоть"). Фокус Куде обеспечивает более узкое поле зрения, чем фокус Насмита или ESPRESSO. Кроме того, гибкость оптических волокон позволяет собирать свет с любой фокальной плоскости; например, спектрограф HARPS использует фокус Кассегрена телескопа ESO 3,6 м.