Оптическая схема Шмидта-Кассегрена
Оптическая схема Шмидта-Кассегрена (ШК) одно из самых парадоксальных изобретений прошлого века. ШК назван именами оптиков, которые не только не имеют отношения к этому изобретению, но и, скорее всего, сильно удивились бы увидев, любительский телескоп названный в 1970 году их именами.Сначала был Кассегрен
Двухзеркальная (по классификации Максутова "предфокальная удлинняющая") схема телескопа, приписываемая Лорану Кассегрену, была предложена в середине 17 века примерно в тоже время, что и рефлектор по схеме Ньютона. Свет от объекта падающий на вогнутое главное зеркало Кассегрена отражается назад в сторону его фокуса. Перед фокусом установлено выпуклое зеркало, которое отражает лучи обратно и они строят перевернутое изображения, выходя из трубы телескопа через отверстие в главном зеркале. То есть, подобно схеме Ньютона, Кассегрен имеет центральное экранирование входной апертуры. Эта схема была раскритикована Гюйгенсом и оказалась слишком сложной для практической реализации в то время. Качественное изображение возможно, только при асферических зеркалах. Оптики вернулись к массовой постройке Кассегренов два века спустя, когда началось развитие астрофотографии и стало возможным создавать стеклянные зеркала со стойким зеркальным покрытием. Недостатки схемы это - большая трудоемкость создания качественных параболического главного и гиперболического вторичного зеркал, проблемы с защитой от засветки изображения прямыми лучами и остаточные аберрации вне центра изображения. Все они с лихвой окупались возможностью получать исправленное изображение в светосильном фокусе главного зеркала и большое увеличение в фокусе после вторичного зеркала. Телескопы по схеме Кассегрена с их большими фокусными расстояниями (относительное отверстие 1:50…1:100!) нужны были для достижения максимального разрешения на фотографических пластинках и для питания спектрографов высокого разрешения.Рис.1 Оптическая схема Кассегрена (лучи идут слева направо): 1 – главное параболическое зеркало, 2 – вторичное гиперболическое выпуклое зеркало, 3 – окуляр. Главные параметры схемы: D – апертура телескопа,e – размер центрального экранирования, F’ – фокусное расстояние Кассегрена, R1 – радиус кривизны первичного зеркала, f1’ – фокусное расстояние главного зеркала = R1/2, d – дистанция между вершинами зеркал, R2 – радиус кривизны вторичного зеркала, a2 и a2’- передний и задний оптические отрезки вторичного зеркала, v – увеличение на вторичном зеркале = a2’/a2 , Sf’ – вынос фокальной плоскости.
[align=center] [/align]
Потом пришел Шмидт
В 1930 сотрудник Бергедорфской обсерватории (Гамбург) Бернхард Шмидт (оптик шведско-эстонского происхождения) после долгих размышлений и исследований пришел к изобретению оригинальной астрономической камеры. Сердцем камеры стала стеклянная пластинка с наполированным на ней рельефом 4-го порядка: центральная часть пластинки работает как слабая собирающая линза, а края пластинки – как рассеивающая. Установленная перед вогнутым сферическим зеркалом эта пластинка может полностью компенсировать его сферическую аберрацию. Характерной особенностью широкоугольной и светосильной камеры Шмидта была длинная (в два фокусных расстояния!) труба. С ее помощью удалось сделать первый полный фотографический обзор всего неба. Камеры Шмидта и ее производные были ориентированы, во-первых, на широкоугольную светосильную астрономическую фотосъемку; во-вторых, на узко-профессиональное использование ввиду дороговизны ручного производства коррекционных пластин Шмидта.Рис.2 Оптическая схема камеры Шмидта (свет падает слева): 1 – сферическое главное зеркало, 4 – коррекционная планоидная пластинка, 5 – сферическая поверхность безаберрационного изображения. Главные параметры схемы: D – апертура телескопа, e – размер центрального экранирования, F’ – фокусное расстояние, R – радиус кривизны зеркала (F’ = R/2).
[align=center] [/align]
И наконец, дешевый метод производства планоидной коррекционной пластины
В конце 60-х прошлого века Томом Джонсоном и Джоном О’Рурком был изобретен метод массового и относительно дешевого производства коррекционных пластин с применением шаблона и вакуумного прижима. Благодаря этой инновации, Celestron смог разработать и выбросить на рынок Шмидт-Кассегрен – телескоп со сферическими зеркалами расположенными как в схеме Кассегрена и коррекционной пластиной Шмидта на входе трубы исправляющей совокупную сферическую аберрацию обоих зеркал. Оправа вторичного зеркала крепится на коррекционной пластине. В отличие от классического Кассегрена, сферичность зеркал ШК обеспечивает наилучшую повторяемость идеального по качеству результата в условиях реального оптического производства. В отличие от фотографической камеры Шмидта, ШК был изначально спроектирован, прежде всего, как компактный визуальный инструмент с ограниченным полем зрения – для наблюдений непосредственно глазом, хотя он может также использоваться как длиннофокусный астрограф.Рис.3 Оптическая схема телескопа Шмидта-Кассегрена (свет падает слева): 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, 3 – окуляр, 4 –коррекционная планоидная пластинка. Обычно при наблюдениях на выходе из телескопа используется диагональное зеркало, которое не показано на схеме для ее упрощения. Принципиальные параметры схемы такие же, как у Кассегрена, см. рис.1.
[align=center] [/align]
Плюсы схемы Шмидт-Кассегрена
ШК получили особую популярность среди любителей астрономии в конце прошлого века, благодаря следующим своим свойствам:- легкая и чрезвычайно короткая по сравнению с фокусным расстоянием труба с возможностью установки в жесткую вилочную монтировку;
- возможность приобретения телескопа большой апертуры за умеренную цену;
- отличное исправление аберраций в центре поля зрения, при не самой плохой коррекции полевых аберраций;
- закрытая пластинкой Шмидта труба предохраняет нежные покрытия зеркал от загрязнений, пыли и ограничивает развитие тепловой конвекции воздуха внутри оптического тракта;
- оправа вторичного зеркала закреплена прямо на коррекционной пластине, то есть не требует механических растяжек, что делает изображения звезд свободным от характерных для зеркальной оптики дифракционных лучиков;
- рынок насыщен разнообразными компрессорами-корректорами поля зрения для занятия астрофотографией (в том числе и в прямом фокусе главного зеркала);
- возможность оперативной юстировки объектива (наклонами вторичного зеркала) в полевых условиях.
- Ньютоны – много меньшими габаритами и весом, лучшими условиями для работы окуляров (благодаря меньшей светосиле - типичная светосила ШК 1:10);
- Рефракторы – почти идеальной коррекцией хроматических аберраций по всему полю зрения;
- Максутовы-Кассегрены – меньшим весом, ценой и временем тепловой стабилизации;
- Ричи-Кретьены – много меньшей ценой и лучшим качеством изготовления зеркал (благодаря их сферичности).
...и ее минусы
Есть у ШК и свои недостатки, большей частью наследственные.унаследованные от Кассегрена:
- в обычном 1:10 исполнении поле зрения не особенно большое (см. табличку ниже), хотя его и хватает для большинства популярных астрономических объектов;
- проблемы со светозащитой (от света который может попасть в фокальную плоскость напрямую из входной апертуры без отражения от зеркал и уменьшить контраст изображения) требуют превышения и без того заметного экранирования, дифракция на экране (тени от вторичного зеркала размером в 35%-36% от входной апертуры) приводит к снижению контраста изображения;
- потери света и светорассеивание на двух зеркальных поверхностях и диагональном зеркале также не способствуют росту контраста;
- изображение страдает от комы - полевой аберрации, проявления которой растут пропорционально удалению наблюдаемых объектов от центра поля зрения; Идеальное изображение классический ШК строит только в поле зрения 4-5 мм (5-6 угловых минут для 10" ШК);
- кроме того имеется и кривизна поля зрения - радиус кривизны поверхности на которой располагаются наилучшие фокусы составляют примерно 10% от фокусного расстояния телескопа;
- пластинка Шмидта исправляет сферическую аберрацию только в середине рабочего спектрального диапазона, на его краях сферическая аберрация исправлена не полностью: в синем свете переисправлена, в красном - недоисправлена, то есть схема страдает от сферохроматизма (примерно в 1/8 длины волны для 10" ШК), что приводит к возникновению слабых пурпурных ореолов вокруг особенно ярких звезд;
- закрытая труба испытывает некоторые сложности при остывании - время тепловой стабилизации ШК может достигать полутора-двух часов, до этого времени при большом увеличении изображения звезд нестабильны и имеют вертикальный хвост;
- фронтальный оптический компонент (коррекционная пластинка) трубы весьма чувствительна к орошению (обмерзанию) при длительных наблюдательных сессиях; только длинная бленда-противоросник на передний обрез трубы и/или обогрев оправы корректора отчасти решают проблему;
- тонкая коррекционная пластина - довольно хрупкая деталь, расположенная к тому-же весьма провоцирующим образом; владельцу инструмента приходится быть весьма осторожным при транспортировке и эксплуатации ШК.
D" | F' | Поле зрения в 2" | Поле зрения в 1.25" |
6 | 1524 | 105' | 60' |
8 | 2032 | 80' | 45' |
9 | 2286 | 70' | 40' |
10 | 2540 | 60' | 37' |
11 | 2794 | 58' | 33' |
12 | 3048 | 50' | 30' |
14 | 3556 | 45' | 26' |
16 | 4064 | 40' | 23' |
Новейшие веяния
До недавнего времени единственным существенным недостатком ШК была далекая от идеальной коррекция его полевых аберраций - даже хуже, чем у чисто зеркальных Кассегренов. Ближе к краю поля зрения такая аберрация как кома заметно деформирует изображения звезд – они обзаводятся хвостами в виде широких вееров направленных в сторону от центра поля зрения. И, хотя проявления комы в классических ШК меньше, чем у светосильных Ньютонов, это оказывается минусом по сравнению с апланатическими (свободными от комы) схемами телескопов Максутова-Кассегрена, Ричи-Кретьена и Клевцова.С 2005 года Meade выпускает апланатичный ШК. Замена выпуклого сферического вторичного зеркала на асферическое близкое к параболическому сделало ШК свободным от комы! Телескоп некоторое время выпускался под именем RCX (усовершенствованный Ричи-Кретьен), сейчас эта разновидность схемы обозначается аббревиатурой ACF (advanced coma-free). При визуальном использовании апланатичный ШК по всему полю зрения строит изображения звезд практически в виде точек. По сути, единственной неисправленной полевой аберрацией в ACF осталась остаточная кривизна поля зрения, которая не мешает при визуальных наблюдениях, но требует компенсации при фотографических. Остаточный астигматизм ACF незначителен - примерно такой же, как у обычного ШК или Максутова-Кассегрена.
[align=center] [/align]
С 2010 года Celestron выпускает апланатичный ШК с уменьшенной кривизной поля зрения, это система EdgeHD. Вторичное зеркало в этой модификации ШК оставлено сферическим, но на пол пути от вторичного зеркала к фокусу телескопа (внутри светозащитной трубки) установлен двухлинзовый полевой корректор. С помощью него в EdgeHD оказалось возможным не только исправить кому, но отчасти (примерно втрое) уменьшить кривизну поля зрения (хотя и за счет несколько преувеличенного астигматизма). В итоге EdgeHD (который в противоположность ACF ориентирован более на фотографическое применение) оказывается возможным использовать для получения фотографически-качественного, плоского full-frame (35х24 мм) изображения. Ну, а заодно и труба телескопа оказалась окончательно запечатана с двух сторон, что еще более уменьшает запыленность внутреннего объема ШК, но и требует дополнительных хлопот по тепловой стабилизации телескопа.
[align=center] [/align]
Заметим, что существенное различие в остаточных аберрациях делает не взаимозаменяемыми компрессоры для классического ШК, ACF и EdgeHD.
Положа руку на сердце...
Как-то сложилось, что ШК на рынке любительских телескопов занимает не самое почетное место. Перфекционисты воротят нос от сомнительной повторяемости качества ШК бюджетных линий. Любители наблюдать дипскай-объекты не жалуют малое поле зрения этого телескопа. "Планетчики" избегают ШК из-за его повышенного центрального экранирования и следов остаточного сферохроматизма. Помешанные на астрофотосъемке предпочитают оптику с большим полем зрения. Да и цена среднего ШК далека от демократичной.Но, признаться, любителю астрономии без явных предпочтений, трудно наверное найти более универсальный инструмент, чем ШК. Надо только больше внимания уделять термостабилизации инструмента, защите ее фронтального компонента (пластинки Шмитда) от орошения/обмерзания во время наблюдений (при помощи бленд, обогрева) и от ударов/толчков при транспортировке/хранении.
Назад к оглавлению статей