Основы Нютонианской оптики.

Прежде чем выбирать зеркало, вам нужно узнать кое-что об оптике, в особенности о Ньютонианской оптике. Если вы уже построили один или несколько телескопов, то вероятно уже понимаете основы и можете их использовать. Если же вы никогда не строили телескопов до этого, тогда эта глава требует внимательного прочтения.

Оптика в Ньютонианском телескопа очень проста. Параболическое главное зеркало в нижней части трубы: плоское второе зеркало удерживается под углом в 45 градусов около верхнего края трубы. Свет от удаленных планет, звезд или галактик пересекает пространство, проходит сквозь земную атмосферу и в итоге попадает в трубу к зеркалу. Он отражается от параболической поверхности и отправляется обратно к передней части трубы в точку схождения фокуса. Второе зеркало перехватывает сходящийся луч и отражает в сторону трубы. Откуда сфокусированное и сформировавшееся реальное изображения выходит из трубы наружу.

Если вы держите кусочек бумаги в фокусе, то увидите структуру на бумаге от удаленных деревьев, луны, планет или всего того, что будет перед телескопом. Уберите бумагу и посмотрите через окуляр, вы увидите увеличенные изображения через линзы. Окуляр это просто увеличивающее стекло, дающее вам возможность изучать реальные изображения. В целом же предназначение телескопа заключается в поддерживании двух легких как перышко куска алюминия, расположенных с правильным интервалом и правильным ориентированием в пространстве, чтобы показывать вам картины вселенной.

Главное стекло Ньютонианского телескопа обычно шлифуется и полируется из диска стекла, которое имеет низкий коэффициент температурного расширения, такого как Корниговское Пирекс стекло. Полированная поверхность стекла покрыта очень тонкий, но высоко отражающим слоем алюминия. Поскольку водяной пар и кислород реагируют с чистым алюминием, он должен быть в свою очередь покрыт инертным материалом, таким как монооксид силикона или магния флуорид, который защищает металл, а также увеличивает отражающую способность металла. Второе зеркало это эллиптическая плитка, покрытая сходным слоем.

Свежее покрытие чистым алюминием отражает 88% попадающего света, что является пиком чувствительности человеческого глаза (около 550 нанометровая длина волны). Оно служит около 10 лет. Хорошо изготовленное алюминиевое покрытие может отражать до 96% света, но его жизненный срок всего 5 лет.

Назначение главного зеркала в том, чтобы фокусировать свет. Для приведения четкого изображения в фокус оптическая система должна быть сконструирована так, чтобы длина пути, который каждый луч проходит от звезды до фокуса, должна быть одинаковой. Некоторые телескопы имеют несколько зеркал и линз для достижения этой цели. Сила Ньютонианца в том, что это достижимо только с двумя оптическими элементами, один фокусирует свет, а другой отражает его в окуляр.

Если главное зеркало имеет правильную поверхность, тогда (особенно из-за атмосферы) только свет это ограничивающий фактор в качестве картинки, которую ваш телескоп может выдавать. Причина этого в том, что свет действует в совокупности частиц (фотонов) и волн. Как совокупность частиц, мы можем сказать, что свет состоит из фотонов, а каждый фотон обладает энергией. Как волна, желто-зеленый свет имеет длину волны в 550 нанометров или 22 миллионная часть дюйма. Факт того, что каждый луч света должен пропутешествовать какое-то расстояние до фокуса, превосходно связан с волновой природой света: это значит, что волны света, которые дружно покидают звезды и по параболической дуге достигают фокуса зеркала. Когда они его достигают, то волны формируются в яркие изображения звезд.

Но все не так просто относительно световых волн. Как вы возможно замечали на пляже волны разбегаются во все стороны и огибают препятствия. Свет делает тоже самое: этот феномен назван дифракцией. Когда волны света достигают фокуса, они превышают нужный для формирования изображения поток и получаются световые пятна. Но тот час около фокуса появляются не вполне локализованные волны, волны от зеркала, пришедшие разрозненно, поэтому кроме волн, которые образуют фокус, присутствует и другой свет. Крохотные частицы распространяются во все стороны, интенсивность волн усиливается, а интенсивность света снижается. Кроме того, существует точка, где волны исчезают и световая интенсивность падает до нуля.

Таким образом, исходя из того, что свет обладает волновой природой, изображение от источника, такого как звезда не является точкой, а небольшим кругом, названным диском Эйри, после того, как сэр Джордж Эйри, английский королевский астроном первым описал его математически. Диск Эйри окружен системой слабых дифракционных колец, которые тем стремительнее уменьшаются в яркости, чем дальше вы смотрите от точки фокуса.

Эффект дифракции не велик: в обычном Добсонианце диск Эйри всего 0,0003 дюйма диаметром. Детали меньше диска Эйри не могут быть показаны реалистично в телескопе, независимо от увеличения. Таким образом дифракция это основное ограничение в работе телескопа. Однако для зеркала, когда говорят о нем, что его ограничивает только дифракция, это звучит как комплимент, потому что это значит, что оптика сделана превосходно, если только дифракция ограничивает его работу.

Таблица 4.1. Свойства типичных Добсонианских телескопов.

Оптика	Минимальное увеличение	Ограничение по величине	Разрешение	Галактики	Вес	Высота	Цена оптики($)
8 f/6		14,7	0,68	1,000
12.5 f/5		15,5	0,43	5,000
15 f/4.5		15,8	0,36	8,000		5,5
18 f/4.5		16,2	0,31	12,000		6,5
20 f/5		16,4	0,28	15,000
25 f/5		16,8	0,22	20,000
30 f/5		17,2	0,18	Много
36 f/5		17,5	0,15	Очень много
40 f/5		17,7	0,14	Слишком много		16,5
Пояснение к заголовкам: Оптика — апертура в дюймах; Минимальное увеличение — наименьшее полезное увеличение (на выходе 7 мм зрачка); Ограничение по величине — ограничение размера, размера слабейшей из видимых звезд; Разрешение — разрешающая сила в арксекундах в идеальном состоянии: Рэйлеевский критерий; Галактики — предполагаемое число видимых галактик;Вес — общий вес в фунтах в хорошо построенном Добсонианце;Высота — высота окуляра в футах; Цена — цена хорошего главного и вторичного алюминиевого зеркал со стандартным алюминиевым покрытием.

Мы видели, что случается, когда волны от превосходного зеркала дополняются диском Эйри. Результат — чистый, сплошной, четкий диск Эйри в фокусе. Но допустим зеркало имеет жесткое верхнюю и нижнюю площадь, поэтому половина волн достигают фокуса не одновременно с другой половиной, поэтому некоторые волны приходили бы раньше, а другие позже. Тогда бы волны сократились и не было бы света в фокусе зеркала. Звезды не исчезают из вида потому что свет конструктивно дополнят себя, но дефективное зеркало формировало бы мешанину из смазанного света вместо того, чтобы давать ясный диск Эйри. Тонкость дифракции заключается в том, что она просто ограничивает видимую материю в случае с плохим зеркалом: все, что вы можете видеть это дефекты фигур.

Зеркала редко имеют такие сильные расхождения от идеала, но все же зеркала никогда не идеальны и им не нужно быть идеальными. Великий английский физик Джон Уильям Страт, Лорд Рэйли, установил, что дает «превосходную чувствительность» в работе, самое большое отклонение от нормы по длине не должно превышать одной четверти длинны световой волны или на современном жаргоне «не более чем ошибка в 1/4 – высоты неровности волны на волновом фронте». Оценка зеркала по высоте волны может сбить с толку, так как высоты и неровности могут занимать маленькие частицы или для большинства зеркальных площадей, критерий неровности волны не указывается.

Сегодняшние астрономы предпочитают указывать средневзвешенные площади в среднем от идеала или среднеквадратичную погрешность, известную как с.к.п. для описания качества сформированных изображений. Когда волновой фронт отраженный от зеркала имеет ¼-волны, с.к.п. от идеала, зеркало рассматривается, как ограничиваемое дифракцией или способное давать «превосходную чувствительность», то есть его работа ограничивается не ошибками с поверхностью, но лишь самой природой света.

К сожалению проверка зеркала на с.к.п. прямо в оптическом магазине может стоить дополнительно несколько сотен долларов. Кроме того, оптики имеют на этот счет довольно смешанные чувства, потому что после того, как они борются за превосходное качество в изготовлении и делают зеркало столь превосходным насколько это вообще возможно, проверка всегда показывает некоторый уровень остаточных ошибок. Тем не менее, как покупатель зеркала, если вы можете узнать насколько хорошо это зеркало, лучше заплатите за тестирование.

Чуть позже в этой главе мы обсудим как вы можете узнать ограничивает ли зеркало только дифракция и если это не так, то как это проверить — и даже поправить — некоторые ошибки. Очень важно, чтобы вы поняли, что не просто вычислить качество зеркала. Взгляд через атмосферу, воздушные течения, коллимация и искажения все это маскирует несовершенство оптики. Только когда вы смонтируете свой телескоп и будете наблюдать в ночи со спокойным воздухом, только тогда можно истинно судить о качестве зеркала.

Дата добавления: 2015-11-14