Добро пожаловать на наш астрономический форум! Здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали. Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил.

Ход лучей и пучков в телескопе

Базовые понятия и термины астрономической оптики
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11102
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Ход лучей и пучков в телескопе

Сообщение Ernest » 18 окт 2014, 13:07

Схема прохождения света через оптику телескопа

Оптики используют следующие абстрактные понятия для описания хода света через оптическую систему.
  • световой луч - вектор направления распространения света. В однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно, меняя направление на границах оптических сред согласно законам преломления и отражения. Луч света перпендикулярен фронту распространения света. На схемах лучи изображаются в виде тонких прямых направленных линий. Луч бесконечно тонок и в силу этого переносит бесконечно малую энергию от источника света до точки в которой происходит поглощение этой энергии (например, на каком-то фотоприемнике).
  • световой пучок - может быть представлен множеством световых лучей исходящих от одной точки на источнике света и, возможно, формирующих одну точку изображения. Пучок обычно ограничен в поперечном направлении (так называемыми крайними лучами или апертурными лучами), имеет конечную площадь поперечного сечения и при симметрии сечения может иметь некую центральную ось - так называемый главный луч. Остальные лучи (кроме главного и апертурных) характеризуются зоной - относительным отстоянием от главного луча (угловым или линейным). В силу конечных размеров световой пучок может переносить световую энергию (световой поток). В оптических системах световые пучки ограничены апертурной диафрагмой. В точках, где пересекаются лучи пучка (или их продолжения) формируется действительное (или мнимое) изображение одной точки изображаемого предмета.
  • оптическая ось - ось симметрии вращения оптических так называемых центрированных систем. На оптической оси лежат центры кривизн оптических поверхностей, оптическая ось пересекает все оптические поверхности перпендикулярно. Оптическая ось служит главной измерительной базой в оптической системе. От этой оси измеряются все углы: апертурный, полевой,.. и все поперечные расстояния (или так называемые высоты).
  • диафрагмы - апертурная, которая ограничивает размеры световых пучков исходящих от предмета, полевая, которая ограничивает изображение, отсекая лишние световые пучки в самой их узкой части - в месте формирования действительных изображений и виньетирующие, которые частично ограничивают световые пучки в поперечном направлении.
  • меридиональное сечение светового пучка - сечение светового пучка плоскостью проходящей через оптическую ось центрированной оптической системы.
  • точка предмета - элементарная точка на предмете бесконечно малых размеров - источник совокупности лучей - светового пучка.
  • предмет или предмет наблюдения - совокупность светящихся точек.
  • пространство предметов - совокупность всех точек-реальных источников света, которые изображаются оптической системой (на схемах обычно располагаются слева от первой по ходу света поверхности оптической системы).
  • точка изображения - точка пересечения лучей пучка, реальная (в этой точке можно поместить приемник изображения) или мнимая (пересечение ретроградных - в обратном ходе - продолжений лучей пучка).
  • изображение предмета наблюдения - совокупность точек изображения.
  • пространство изображений - совокупность всех точек (реальных и мнимых) изображений, которые строит оптическая система после прохода световыми пучками через последнюю ее поверхность (на выходе из оптической системы). Каждая точка пространства предметов однозначно сопряжена с точкой в пространстве предметов.
  • паразитные лучи/пучки - лучи и пучки, которые не должны были принимать участие в формировании изображения - которые должны были быть отсечены диафрагмами, поглощены корпусом, прочими деталями и их частями, рассеиваемыми дефектами оптических поверхностей и сред, прошедшие оптический тракт непредусмотренным образом и... все же попадающие на фотоприемник, формируя как равномерную засветку изображения, так и более-менее сфокусированные блики
Теперь рассмотрим как эти понятия используются для описания прохождения светом телескопа (некого упрощенного рефрактора с двухлинзовым окуляром).

[align=center]Изображение[/align]

В отечественной практике оптические схемы принято изображать сечением так, что свет от изображаемых предметов попадал в них слева.

Свет излучается всеми точками пространства предметов во все стороны. Телескоп обращен к предмету наблюдения объективом - узлом состоящим из нескольких оптических элементов (линз, зеркал). От каждой точки пространства предметов телескоп отбирает только часть света (испускаемого точками во все стороны) - пучок световых лучей (практически параллельных друг-другу, если точка-источник света расположена на "бесконечности"), ограниченный апертурой (апертурной диафрагмой) телескопа. На рисунке роль апертурной диафрагмы играет оправа объектива.

Далее световой пучок преломляется и из практически параллельного становится существенно сходящимся устремляясь к полевой диафрагме. Вблизи полевой диафрагмы лучи световых пучков собираются в фокусы (у каждого светового пучка свой), формируя промежуточное изображение. Далее из точек пространства промежуточного изображения световые пучки идут уже расходясь из фокусов, почти в точности как от реальных предметов. С одним отличием - точки промежуточного изображения светят не во все стороны, а строго в пределах световых пучков ограниченных апертурной диафрагмой на объективе. Про прохождении полевой диафрагмы главные лучи световых пучков имеют небольшие углы друг с другом и с оптической осью - почти параллельны, то есть идут телецентрично.

Далее световые пучки падают на оптику окуляра. Преломляясь на линзах окуляра лучи световых пучков выходят из него вновь параллельными другим лучам в своих пучках (пучки при этом уже существенно не параллельны друг другу и оптической оси). Все световые пучки (состоящие из почти параллельных лучей) на выходе из окуляра пересекаются в районе так называемого выходного зрачка формируя пространство изображений. Для того, чтобы увидеть увеличенное изображение пространства предметов, которое создает телескоп, глаз наблюдателя (его зрачок) надо разместить в выходном зрачке телескопа - тогда все собранные телескопом лучи попадут в глаз и могут принять участие в формировании реального изображение на его сетчатке (слое светочувствительных клеток).

Несколько важных моментов:
  • Точка предмета на продолжении оптической оси формирует при прохождении телескопа особый световой пучок: осевой. Осевой пучок осесимметричен - все лучи в нем подчиняется симметрии вращения вокруг оси центрированной оптической системы.
  • Пучок параллельных лучей от осевой точки бесконечно удаленного предмета собирается объективом в точку, которая называется задний фокус объектива. Точка промежуточного пространства такая, что она (1) лежит на оптической оси, (2) и формирует по выходе из окуляра пучок строго параллельный лучей называется передним фокусом окуляра.
  • Для того, чтобы падающие на объектив световые пучки (состоящие из параллельных лучей) по прохождении телескопа вышли также состоящими из параллельных лучей, то есть были способны сформировать пространство изображения пригодное для рассматривания глазом, задний фокус объектива должен быть совмещен с передним фокусом окуляра. Тут, правда, есть несколько оговорок: (1) для близорукого глаза световые пучки должны на выходе из телескопа быть немного расходящимися, чтобы компенсировать близорукость наблюдателя; (2) для предмета не на "бесконечности", скажем при наземных наблюдениях, напротив падающие на телескоп световые пучки состоят из не вполне параллельных лучей, пучки расходящиеся. В обоих этих случаях требуется небольшой промежуток между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра
  • Для формирования цельного изображения недостаточно осевого светового пучка - он ответственен за построение только одной осевой точки изображения. Для формирования всего пространства изображения через телескоп должно пройти бесконечное число световых пучков - столько, из скольких точек состоит изображение ;) Все пучки, кроме осевых, которые проходят через телескоп и участвуют в формировании изображения, называются внеосевыми.
  • Внеосевые световые пучки проходя через центрированную оптическую систему в отличие от осевого не имеют симметрии вращения относительно своего главного (центрального) луча. Но можно показать, что они строго зеркально симметричны относительно плоскости проведенной через оптическую ось и из главный луч.
  • Если проследить за ходом главных лучей внеосевых пучков, то видно, что все они пересекаются на пересечение плоскости апертурной диафрагмы с осью и в точке расположения выходного зрачка на выходе из окуляра. То есть выходной зрачок сопряжен по главным лучам с апертурной диафрагмой - является ее изображением. Можно рассматривать две системы световых пучков - пучки апертурных лучей, о которых до сих пор только и шла речь и особый осесимметричный пучок главных лучей внеосевых пучков. Этот пучок ответственен за сопряжение входной и выходной апертур, входного и выходного зрачка.
  • Внеосевые пучки проходящие (как это нарисовано на нижнем фрагменте рисунка) через край полевой диафрагмы формируют изображение края (границы) поля зрения.
  • Углы между главными лучами крайних внеосевых пучков определяют угловые поля зрения телескопа. Угол между главными лучами на входе в телескоп - поля зрения телескопа (TFOV - входное поле зрения), угол между главными лучами на выходе из окуляра телескопа - выходное поле зрения телескопа (AFOV - видимое поле зрения).
  • Углы между крайними лучами одного пучка - апертурный угол - определяет сходимость светового пучка. На входе и выходе апертурные углы близки к нулю (апертуру в этом случае удобнее характеризовать диаметром пучка), внутри телескопа сходимость световых пучков - важная расчетная характеристика определяющая то насколько велики будут сложности с коррекцией аберраций телескопа.
  • Стигматическими называют световые пучки состоящие из строго параллельных лучей или лучей пересекающихся строго в одной точке. Полностью стигматичными являются световые пучки только в пространстве предметов - по факту своего происхождения они испускаются одной точкой в которой и пересекаются. Проходя оптические поверхности световые пучки перестают быть стигматичными - в рамках одного пучка лучи могут пересекаться с другими в разных точках. Из-за этого сходящиеся лучи пучка могут не собраться строго в одну точку. Отступление от стигматичности называют аберрациями.
  • Некоторые усложняющие моменты, которые не меняют изложенных выше принципов
    • в зеркальных телескопах объективы работают на отражение и световые пучки обычно имеют вокруг главного луча зону центрального экранирования (этакое дупло, в котором отсутствуют лучи), для описания таких пучков кроме крайних апертурных лучей рассматриваются еще и лучи ограничивающие зону экранирования;
    • диагональные зеркала и призмы могут быть исключены из рассмотрения путем отражения и редуцирования сохраняя осесимметричность оптической системы;
    • перед окуляром может быть установлена линза Барлоу, корректор поля или другой предфокальный компонент, что делает чуть менее наглядным совмещение фокусов окуляра и объектива (приходится считать этот компонент частью окуляра или объектива и выводить их суммарный фокус или напротив - рассматривать каскад из трех и более узлов сопрягаемых своими фокусами);
    • довольно часто апертурная диафрагма располагается внутри объектива - между его линзами или зеркалами и тогда для определения входного поля зрения надо вводить понятие входного зрачка (виртуального изображения апертурной диафрагмы через часть оптической системы между пространством предметов и пространством апертурной диафрагмы);
    • из-за астигматизма внеосевые пучки в меридиональном и сагиттальном сечениях собираются в разных точках называемых астигматическими фокусами - это также проявление действия аберраций на описанную выше схему. сагиттальным называется сечение внеосевого пучка плоскостью проходящей через его главный луч и перпендикулярной меридиональному сечению

Назад к оглавлению статей

Ответить