Телескоп-рефрактор - Refracting telescope

200-миллиметровый рефракторный телескоп в Познанской обсерватории.

Линзовый телескоп (также называемый рефрактором ) представляет собой тип оптического телескопа , который использует линзу , как его цель для формирования изображения (также называемый в диоптрийной телескоп ). Изначально конструкция преломляющего телескопа использовалась в шпионских очках и астрономических телескопах, но также использовалась для линз длиннофокусных фотоаппаратов . Хотя большие преломляющие телескопы были очень популярны во второй половине 19-го века, для большинства исследовательских целей преломляющие телескопы были заменены отражающими телескопами , которые имели большую апертуру . Увеличение рефрактора рассчитывается путем деления фокусного расстояния линзы объектива на фокусное расстояние окуляра .

У преломляющих телескопов обычно есть линза спереди, затем длинная трубка , а затем окуляр или приборы сзади, где фокусируется изображение телескопа. Первоначально телескопы имели одноэлементный объектив, но спустя столетие были изготовлены двух- и даже трехэлементные линзы.

Рефракционный телескоп - это технология, которая часто применяется в других оптических устройствах, таких как бинокли и зум-объективы / телеобъективы / длиннофокусные объективы .

Изобретение

Рефракторы были самым ранним типом оптических телескопов . Первое упоминание о преломляющем телескопе появилось в Нидерландах около 1608 года, когда создатель очков из Мидделбурга по имени Ханс Липперши безуспешно пытался запатентовать его. Новости о патенте быстро распространились, и Галилео Галилей , оказавшись в Венеции в мае 1609 года, услышал об изобретении, сконструировал свою собственную версию и применил ее к астрономическим открытиям.

Рефракционные конструкции телескопов

Kepschem.png

Все преломляющие телескопы используют одни и те же принципы. Сочетание объективной линзы 1 и некоторый тип окуляра 2 используется для сбора больше света , чем человеческий глаз способен собирать самостоятельно, фокусировать его 5 , и представить зрителю ярче , яснее , и увеличенное мнимое изображение 6 .

Объектив преломляющего телескопа преломляет или изгибает свет . Это преломление заставляет параллельные световые лучи сходиться в фокусной точке ; в то время как непараллельные сходятся в 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. Он равен соотношению размеров изображения на сетчатке глаза, полученного с телескопом и без него.

Рефракционные телескопы могут иметь множество различных конфигураций для коррекции ориентации изображения и типов аберраций. Поскольку изображение было сформировано изгибом света или преломлением, эти телескопы называют преломляющими телескопами или рефракторами .

Галилеев телескоп

Оптическая схема Галилеевского телескопа y - Далекий объект; y ′ - Реальное изображение от объектива; y ″ - увеличенное виртуальное изображение из окуляра; D - диаметр входного зрачка; d - диаметр виртуального выходного зрачка; L1 - линза объектива; L2 - Линза окуляра e - Виртуальный выходной зрачок - Телескоп равен

Конструкция Галилео Галилей использовал с.  1609 год обычно называют галилеевым телескопом . Он использовал собирающуюся (плосковыпуклую) линзу объектива и расходящуюся (плосковогнутую) линзу окуляра (Galileo, 1610). Телескоп Галилея, поскольку конструкция не имеет промежуточного фокуса, дает неинвертированное и, с помощью некоторых устройств, прямое изображение.

Самый мощный телескоп Галилея общей длиной 980 миллиметров (3 фута 3 дюйма) увеличивал объекты примерно в 30 раз. Из-за недостатков конструкции, таких как форма линзы и узкое поле зрения, изображения были размытыми и искаженными. Несмотря на эти недостатки, телескоп все еще был достаточно хорош, чтобы Галилей мог исследовать небо. Он использовал его для просмотра кратеров на Луне , четырех крупнейших спутников Юпитера и фаз Венеры .

Параллельные лучи света от удаленного объекта ( y ) будут фокусироваться в фокальной плоскости линзы объектива ( F 'L1 / y' ). (Расходящаяся) линза окуляра ( L2 ) перехватывает эти лучи и снова делает их параллельными. Непараллельные лучи света от объекта, идущие под углом α1 к оптической оси, проходят под большим углом ( α2> α1 ) после прохождения через окуляр. Это приводит к увеличению видимого углового размера и отвечает за воспринимаемое увеличение.

Конечное изображение ( y ″ ) - это виртуальное изображение, расположенное в бесконечности и расположенное так же вверх, как и объект.

Кеплеровский телескоп

Гравированная иллюстрация кеплеровского астрономического телескопа-рефрактора с фокусным расстоянием 46 м (150 футов), построенного Иоганном Гевелием.

Кеплеровская телескоп , изобретенный Иоганном Кеплером в 1611 году, является усовершенствованием конструкции Галилея. В качестве окуляра используется выпуклая линза вместо вогнутой линзы Галилея. Преимущество такого расположения в том, что лучи света, выходящие из окуляра, сходятся. Это обеспечивает гораздо более широкое поле зрения и большее удаление выходного зрачка , но изображение для зрителя инвертируется. С помощью этой конструкции можно достичь значительно большего увеличения, но для преодоления аберраций простой объектив должен иметь очень высокое f-отношение ( Йоханнес Гевелиус построил объектив с фокусным расстоянием 46 метров (150 футов) и даже с более длинной бескамерной антенной. телескопы »). Конструкция также позволяет использовать микрометр в фокальной плоскости (для определения углового размера и / или расстояния между наблюдаемыми объектами).

Гюйгенс построил воздушный телескоп для Лондонского королевского общества с одноэлементной линзой 19 см (7,5 дюйма).

Ахроматические рефракторы

Алван Кларк полирует большой ахроматический объектив Йеркса диаметром более 1 метра в 1896 году.
Этот 12-дюймовый рефрактор установлен в куполе, и его опора вращается вместе с поворотом Земли.

Следующим важным шагом в эволюции преломляющих телескопов стало изобретение ахроматической линзы , линзы с множеством элементов, которая помогла решить проблемы с хроматической аберрацией и позволила уменьшить фокусные расстояния. Он был изобретен в 1733 году английским адвокатом по имени Честер Мур Холл , хотя он был независимо изобретен и запатентован Джоном Доллондом около 1758 года. Эта конструкция преодолела потребность в очень больших фокусных расстояниях в преломляющих телескопах за счет использования объектива, сделанного из двух кусков стекла. с различной дисперсией , « короной » и « бесцветным стеклом » для уменьшения хроматической и сферической аберрации . Каждая сторона каждой детали шлифуется и полируется , а затем две части собираются вместе. Ахроматические линзы корректируются, чтобы сфокусировать две длины волны (обычно красную и синюю) в одной плоскости.

Известно, что Честер Мор Холл сделал первый объектив с двойной цветовой коррекцией в 1730 году.

Ахроматы Dollond были довольно популярны в 18 веке. Главный призыв заключался в том, что их можно было сделать короче. Однако из-за проблем с изготовлением стекла диаметр стеклянных объективов не превышал четырех дюймов.

В конце 19 века производитель стекла Guinand разработал способ изготовления стеклянных заготовок более высокого качества размером более четырех дюймов. Он также передал эту технологию своему ученику Фраунгоферу, который продолжил развитие этой технологии, а также разработал дизайн дуплетных линз Фраунгофера. Прорыв в технологиях изготовления стекла привел к появлению великих рефракторов 19 века, которые постепенно становились больше в течение десятилетия, в конечном итоге достигнув более 1 метра к концу того века, прежде чем их заменили зеркальные телескопы из посеребренного стекла в астрономии.

Среди известных производителей линз 19 века:

28-дюймовый рефрактор по Гринвичу - популярная туристическая достопримечательность Лондона 21 века.

Некоторые известные дублетные рефракторы 19-го века - телескоп Джеймса Лика (91 см / 36 дюймов ) и 28-дюймовый рефрактор Гринвича (71 см). Примером более старого рефрактора является телескоп Шакбурга (датируемый концом 1700-х годов). Знаменитым рефрактором был «Трофейный телескоп», представленный на Большой выставке 1851 года в Лондоне. В эпоху « великих рефракторов » в 19 веке появились большие ахроматические линзы, кульминацией которых стал самый большой из когда-либо построенных ахроматических рефракторов - Большой Парижский выставочный телескоп 1900 года .

В Королевской обсерватории в Гринвиче в 1838 году был установлен телескоп Шипшэнкс с объективом Кошуа. Sheepshanks имел линзу шириной 6,7 дюймов (17 см) и был самым большим телескопом в Гринвиче около двадцати лет.

В отчете Обсерватории за 1840 год упоминается новый на тот момент телескоп Шипшэнкс с дублетом Кошуа:

Мощность и качество этого телескопа делают его очень желанным дополнением к инструментам обсерватории.

В 1900-х годах известным производителем оптики была компания Zeiss. Пример выдающихся достижений рефракторов: более 7 миллионов человек смогли увидеть через 12-дюймовый рефрактор Zeiss в обсерватории Гриффита с момента ее открытия в 1935 году; это наибольшее количество людей, которых когда-либо видели в телескоп.

Ахроматы были популярны в астрономии для составления звездных каталогов, и они требовали меньшего ухода, чем металлические зеркала. Некоторые известные открытия с использованием ахроматов - это планета Нептун и спутники Марса .

Длинные ахроматы, несмотря на меньшую апертуру, чем большие отражатели, часто использовались в престижных обсерваториях. В конце 18 века каждые несколько лет появлялся более крупный и длинный рефрактор.

Например, обсерватория Ниццы дебютировала с 77-сантиметровым рефрактором (30,31 дюйма), крупнейшим в то время, но превзошла его всего за пару лет.

Апохроматические рефракторы

Apochromat lens.svg
Апохроматическая линза обычно состоит из трех элементов, которые направляют свет трех разных частот в общий фокус.

Апохроматические рефракторы имеют объективы, изготовленные из специальных материалов со сверхнизкой дисперсией. Они предназначены для фокусировки трех длин волн (обычно красной, зеленой и синей) в одной плоскости. Остаточная ошибка цвета (третичный спектр) может быть на порядок меньше, чем у ахроматической линзы. Такие телескопы содержат элементы из флюорита или специального стекла со сверхнизкой дисперсией (ED) в объективе и обеспечивают очень четкое изображение, практически без хроматических аберраций. Из-за специальных материалов, необходимых для изготовления, апохроматические рефракторы обычно дороже, чем телескопы других типов с сопоставимой апертурой.

В 18 веке Доллонд, популярный производитель дуплетных телескопов, также сделал триплет, хотя на самом деле они не были так популярны, как двухэлементные телескопы.

Одна из известных тройных целей - тройка Кука , известная своей способностью исправлять аберрации Сейдала. Он признан одним из самых важных объективных дизайнов в области фотографии. Триплет Кука может корректировать только с тремя элементами для одной длины волны, сферической аберрации , кому , астигматизма , кривизны поля и искажения .

Технические соображения

Рефрактор 102 сантиметра (40 дюймов) в обсерватории Йеркса , самый большой ахроматический рефрактор, когда-либо использовавшийся в астрономии (фотография сделана 6 мая 1921 года, когда Эйнштейн находился с визитом)

Рефракторы страдают остаточными хроматическими и сферическими аберрациями . Это больше влияет на более короткие фокусные отношения, чем на более длинные. Ахроматический рефрактор с диафрагмой 100 мм (4 дюйма) с диафрагмой f / 6 , вероятно, будет иметь значительную цветную окантовку (как правило, пурпурный ореол вокруг ярких объектов). 100 мм (4 дюйма) f / 16 имеет небольшую цветную окантовку.

При очень больших диафрагмах также возникает проблема провисания линз в результате деформации стекла под действием силы тяжести . Поскольку линзу можно удерживать на месте только за край, центр большой линзы прогибается под действием силы тяжести, искажая получаемые изображения. Самый большой практический размер линзы в преломляющем телескопе составляет около 1 метра (39 дюймов).

Еще одна проблема - дефекты стекла, бороздки или небольшие пузырьки воздуха, застрявшие внутри стекла. Кроме того, стекло непрозрачно для определенных длин волн , и даже видимый свет затемняется из-за отражения и поглощения, когда он пересекает границы раздела воздух-стекло и проходит через само стекло. Большинство из этих проблем устраняются или уменьшаются в отражающих телескопах , которые могут быть сделаны с гораздо большей апертурой и которые почти полностью заменяют рефракторы для астрономических исследований.

МКС-КАМ на Voyager 1 / 2 использовали 6 см (2,36 ") объектив, запущенный в космос в конце 1970 - х годов, пример использования отражателей в пространстве.

Приложения и достижения

"Große Refraktor", двойной телескоп с линзами 80 см (31,5 дюйма) и 50 см (19,5 дюйма), был использован для открытия кальция как межзвездной среды в 1904 году.
Астронавт тренируется с камерой с большим объективом

Преломляющие телескопы были известны своим использованием в астрономии, а также для наблюдения за Землей. Многие ранние открытия Солнечной системы были сделаны с помощью синглетных рефракторов.

Использование преломляющей телескопической оптики повсеместно в фотографии, а также на околоземной орбите.

Одним из наиболее известных применений преломляющего телескопа было то, что Галилей использовал его для открытия четырех крупнейших спутников Юпитера в 1609 году. Более того, первые рефракторы также использовались несколько десятилетий спустя, чтобы обнаружить Титан, самый большой спутник Сатурна, а также еще три. спутников Сатурна.

В 19 веке преломляющие телескопы использовались для новаторских работ в области астрофотографии и спектроскопии, а соответствующий инструмент, гелиометр, впервые был использован для расчета расстояния до другой звезды. Их скромная апертура не привела к такому количеству открытий и, как правило, настолько мала, что многие астрономические объекты были просто недоступны для наблюдения до появления фотографии с длительной выдержкой, когда репутация и причуды отражающих телескопов начали превосходить таковые у телескопов-отражателей. рефракторы. Несмотря на это, некоторые открытия включают Луны Марса, пятую Луну Юпитера и множество открытий двойных звезд, включая Сириус (звезда Собака). Рефакторы часто использовались для позиционной астрономии, помимо других применений в фотографии и наблюдении за Землей.

Синглеты

Галилеевы спутники и многие другие спутники Солнечной системы были открыты с помощью одноэлементных объективов и воздушных телескопов.

Галилео Галилей открыл галилеевы спутники Юпитера в 1610 году с помощью преломляющего телескопа.

Титан , спутник Сатурна , был открыт 25 марта 1655 года голландским астрономом Христианом Гюйгенсом .

Дублеты В 1861 году с помощью 18-дюймового рефракторного телескопа Дирборна было обнаружено, что у самой яркой звезды на ночном небе, Сириуса, был меньший звездный спутник.

К 18 веку у рефракторов появилась большая конкуренция со стороны рефлекторов, которые могли быть достаточно большими и обычно не страдали той же самой проблемой, присущей хроматической аберрации. Тем не менее, астрономическое сообщество продолжало использовать дублетные рефракторы с небольшой апертурой по сравнению с современными приборами. Среди известных открытий - спутники Марса и пятый спутник Юпитера, Амальтея .

Асаф Холл обнаружил Деймос 12 августа 1877 года примерно в 07:48 UTC и Фобос 18 августа 1877 года в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия , примерно в 09:14 по Гринвичу (современные источники, с использованием астрономической конвенции до 1925 года, которая началась днем в полдень укажите время открытия: 11 августа 14:40 и 17 августа 16:06 по Вашингтону соответственно).

Телескоп, использованный для открытия, представлял собой 26-дюймовый (66 см) рефрактор (телескоп с линзой), который тогда находился в Туманном дне . В 1893 году объектив был перемонтирован и помещен в новый купол, где он остается в 21 веке.

Спутник Юпитера Амальтея был открыт 9 сентября 1892 года Эдвардом Эмерсоном Барнардом с помощью 36-дюймового (91 см) телескопа-рефрактора в обсерватории Лик . Он был обнаружен прямым визуальным наблюдением с помощью рефрактора с двойной линзой.

В 1904 году одно из открытий, сделанных с помощью Великого рефрактора Потсдама (двойной телескоп с двумя дублетами), касалось межзвездной среды . Астроном профессор Хартманн на основе наблюдений за двойной звездой Минтака в Орионе определил , что в промежуточном пространстве есть элемент кальций .

Тройняшки

Планета Плутон была открыта путем просмотра фотографий (то есть «пластинок» на просторечии астрономии) в моргающем компараторе, сделанных с помощью рефракционного телескопа, астрографа с 3-элементным 13-дюймовым объективом.

Список крупнейших преломляющих телескопов

Рефрактор Yerkes Great, установленный на Всемирной выставке 1893 года в Чикаго; самый высокий, самый длинный и самый большой рефакторинг апертуры до того времени.
Рефрактор 68  см (27 дюймов) в обсерватории Венского университета

Примеры самых больших ахроматических преломляющих телескопов диаметром более 60 см (24 дюйма).

Смотрите также

дальнейшее чтение

использованная литература

внешние ссылки