Телескоп. Введение

Авторские статьи и переводы Эрнеста Шекольяна по наиболее ЧАсто обсуждаемым ВОпросам в любительской астрономии, включая: некоторые моменты из расчетной оптики, особенности оптических схем, элементам конструкции и эксплуатации телескопов, подходы к астрономическим наблюдениям, тематические словари.

Телескоп. Введение

Сообщение bot » 29 окт 2009, 21:43

Новичку о телескопе


Телескоп - инструмент для наблюдений за планетами, кометами, Солнцем, Луной и, условно говоря, туманными астрономическими объектами (звездными скоплениями, галактиками, облаками космического газа и прочими "дипами"). Как правило телескоп состоит из собственно трубы - оптического инструмента и монтировки (mount) - устройства несущего трубу, обеспечивающей ее наведения на объекты и сопровождение, а также массы дополнительных приспособлений (фильтров, гидов, фотоаппаратуры).

Типы наблюдений и телескопов


Наблюдения бывают визуальными - глазом и фотографическими с использованием прочих фотоприемников - в том числе и цифровых. Соответственно, и телескопы бывают визуальными - для визуальных наблюдений, астрографами - для фотографирования и универсальными, которые способны более-менее обеспечивать и те, и другие виды наблюдения. Новички в любительской астрономии обычно начинают с визуальных наблюдений, фотографические требуют более продвинутой техники, больше знаний, оборудования и, главное, времени.

Труба телескопа


Труба телескопа (труба телескопа в сборе или далее ТТС, что близка к аббревиатуре часто употребляемой в англоязычных источниках - OTA - optical telescope assemble) включает в себя собственно трубу (иногда, впрочем, совсем и не похожую на трубу), которая служит базой для присоединения объектива телескопа, фокусера, окулярного узла, искателя и крепежного устройства для присоединения к монтировке. ТТС обеспечивает главную функцию телескопа - возможность наблюдений/фотографирования далеких предметов с большим увеличением.

Объектив телескопа


Объектив телескопа - главная часть ТТС - строит изображение астрономических объектов в своей фокальной плоскости, что позволяет рассматривать его при помощи окуляра (своего рода лупы) или фиксировать на фотоприемнике (фото-, веб- и видеокамеру, специализированные астрономические камеры). Объективы могут состоять из линз и/или зеркал. Главные характеристики объектива (и всего телескопа):
  • фокусное расстояние f' (мм), которое определяет масштаб изображения в фокальной плоскости
  • апертура или диаметр объектива D (мм или дюймы). Чем апертура больше - тем больше собирает света телескоп и меньше вредное влияние дифракции на качество изображения, тем большее увеличение можно использовать при наблюдениях. Апертуру измеряют в мм (например, 100 мм) или дюймах (например, 4" или 4"·25.4 = 101.6 мм)
  • относительное отверстие 1/k =D/f' и относительное фокусное расстояние k=f'/D. Чем относительное отверстие больше, тем меньшие выдержки (экспозиции) можно использовать при фотографировании, обычно, меньшая длина трубы, но при этом заметно выше требования к окулярам в визуальном режиме
  • Качество изображения, которое строит объектив кроме его апертуры, определяется еще и его остаточными аберрациями. Эти аберрации являются как следствием выбранной для объектива оптической схемы (например кома телескопа Ньютона, вторичный хроматизм рефрактора, сферохроматизм Шмидт-Кассегренов, сферическая аберрация 5-го порядка Максутова-Кассегрена и т.д.), так и результатом погрешностей изготовления/сборки оптики ("завал" на краю зеркальных объективов, оптическая неоднородность линз и т.д.), или неизбежной механической разъюстировкой компонентов объектива в процессе эксплуатации (сдвиг линз и зеркал со своего положенного места). Как правило, линзовая оптика (рефракторы) меньше склонна к разъюстировкам.

Окуляры телескопа


При визуальных наблюдениях в телескоп наблюдатель использует больший или меньший набор окуляров. Собственно в этом и отличие телескопа от подзорной трубы или бинокля. Окуляры это своего рода лупы, которые вставляются в фокусер ТТС и позволяют наблюдателю рассматривать изображения построенные объективом телескопа. Чем меньше фокусное расстояние окуляра f'ок, тем большее увеличение он дает с данным объективом. Увеличение можно рассчитать по простой формуле отношений фокусных расстояний объектива и окуляра:
Г = f'об/f'ок.
Важнейшей характеристикой окуляра после фокусного расстояния является величина поля зрения, которая определяет то, каким широким представляется наблюдателю доступный для рассматривания круг изображения.
  • Обычные окуляры имеют поле зрения 40-55 градусов,
  • широкоугольные 55-65,
  • сверхширокоугольные 65-80
  • ультраширокоугольные от 80 и выше.
Окуляры принято характеризовать еще и выносом выходного зрачка - тем расстоянием от глазной линзы, на котором наблюдателю придется расположить свой глаз, чтобы все доступное поле зрения было видно одновременно. Чем эта величина больше, тем выше комфорт при наблюдениях (ресницы и сам глаз не касаются глазной линзы окуляра, ее поверхность менее склонна к запотеванию и не пачкается ресницами), больше возможность наблюдать в очках и использовать фотографическую и видеоаппаратуру для фиксации того, что видно в окуляр.

Качество изображения окуляров


Так же как и объективы, окуляры имеют собственные оптические аберрации и соответственно могут ухудшать изображение, которое строится объективом. Как правило, аберрации короткофокусных окуляров менее критичны в плане влияния на суммарное (объектив + окуляр и возможно прочая оптика) качество изображения, а вот к качеству коррекции длиннофокусных и особенно широкоугольных следует применять повышенные требования. Обычно остаточные аберрации тем меньше, чем больше в окуляре линз, меньше угловое поле зрения и вынос выходного зрачка. Сложные окуляры (много линз, меньше аберрации, больше поле зрения и вынос) особенно требовательны к просветляющим покрытиям, которые уменьшают бликование поверхностей линз. Для сверхширокоугольных окуляров часто характерна высокая чувствительность к видимости/невидимости всего поля зрения или его части к небольшим сдвигам глаза наблюдателя (фрагментарное срезание поля зрения).

Конструктивные особенности окуляров


Для окуляра важными деталями являются наглазники, которые защищают глаз наблюдателя от постороннего света и позволяют верно зафиксировать положение глаза относительно глазной линзы. Некоторые окуляры с малым выносом выходного зрачка не имеют наглазника и только голова и глазница наблюдателя защищает изображение от внешней засветки. Наглазники бывают жесткие (легче фиксировать глаз), мягкие (плотнее облегают глазницу наблюдателя), переменной высоты (для подстройки под особенности анатомии наблюдателя). Обрезинивание корпуса окуляра добавляет удобств при наблюдениях, герметизирует его внутренность и изолирует металл (что важно при наблюдениях в мороз).

Если при использовании обычных окуляров с фиксированным фокусным расстоянием, изменение увеличения телескопа возможна только путем замены одного окуляра на другой, то использование панкратических (zoom) окуляров позволяет перекрывать все или часть увеличений без смены окуляра. Но за это удобство приходится платить как правило меньшим полем зрения, большим числом линз и обычно несколько худшим качеством изображения.

Окуляры и прочие принадлежности вставляют в окулярную трубку ТТС, которая обычно имеет стандартный внутренний диаметр. Наиболее распространены стандарты 1.25" (чуть менее 32 мм) и 2" (около 52 мм). Существуют и переходники (адаптеры), которые позволяют использовать на данном ТТС окуляры разных стандартов (например, от 2" к 1.25"). Понятно, что 2" стандарт предоставляет наблюдателю большую свободу выбора и больший размер поля зрения доступного для наблюдения и фотографирования.

Линзы Барлоу


Для смены увеличения и возможности наблюдать с комфортным выносом выходного зрачка служат линзы Барлоу (отрицательная линза или группа линз в соответствующей оправе). Будучи расположенной перед окуляром они увеличивают "кратность" телескопа вдвое-трое. Собственно, "кратность" линз Барлоу и является их главной потребительской характеристикой. Обычные линзы Барлоу высокой кратности (3-4х) вносят слишком большие искажения в работу окуляра, что приводит к виньетированию (затенению) внешней части поля зрения и/или ухудшению качества изображения, поэтому их выполняют в телецентричном варианте (без изменения направления полевых пучков света). Как и окуляры, линзы Барлоу различаются по посадочному стандарту 1.25" и 2". Так называемые "апохроматические" линзы Барлоу состоят из трех и более линз и имеют улучшенное качество изображения по полю зрения, что важно особенно при использовании в светосильных телескопах. Разновидность линзы Барлоу - телеэкстендеры используются в астрофотографии, для получения большего масштаба изображения и ровного поля зрения.

Фокусер


Наблюдатель использует фокусер, который обеспечивает механический сдвиг вдоль оптической оси одного из компонентов объектива или окулярной трубки с установленным в ней окуляром, для фокусировки изображений астрономических объектов под глаз наблюдателя (например по причине его близорукости), для компенсации различий в положении фокальных плоскостей различных окуляров (фотоприемников), ну и для фокусировки на земные (относительно близкие) объекты. Окуляры и проч. окулярная оптика, которые не требуют перефокусировки при их смене, называются парфокальными. Фокусер характеризуется ходом (диапазоном перефокусировки) и чувствительностью (тем насколько точно можно управлять сдвигом фокальной плоскости объектива). Как правило, фокусеры с большим ходом мало чувствительны, но позволяют телескопу перефокусироваться в большом диапазоне (в том числе и на довольно близкие земные предметы). Чувствительные фокусеры имеют небольшой ход. Двухскоростные фокусеры имеют и достаточный ход, и удовлетворительную чувствительность. Простые реечные фокусеры обычно имеют заметный сдвиг поля зрения при перемене направления фокусировки (focuser shift). Лучшее качество фокусировки обеспечивают фокусеры Крейфорда, но они не столь грузоподъемны (могут не удержать тяжелое окулярное оборудование).

Искатель телескопа


Искатель - важный элемент ТТС. Это своего рода прицел, он позволяет наводить трубу телескопа на выбранный объект наблюдений или близлежащий более яркий ориентир. При небольших увеличениях малоапертурного телескопа искатель может быть просто механическим визиром (прицельной планкой - "мушкой"). Но обычно это оптическое устройство. Однократный коллимационный визир со светодиодной маркой (ред-дот, телрад) очень оперативен и прост в использовании, легок, но требует близких к объекту наблюдения ориентиров (хорошего черного неба с обилием звезд, которые могут быть использованы в качестве "опорных" при наведении) и усложняет последующее точное наведение. Оптический искатель - это просто труба небольшого (3-6-8 крат) увеличения с перекрестьем (которое может иметь регулируемую по яркости подсветку, что очень удобно). Оптический искатель очень полезен, так как он увеличивает число видимых глазом звезд и позволяет использовать при наведении в качестве ориентира менее яркие объекты. Визирная ось любого искателя должна быть тщательно согласована с визирной осью телескопа, для этого служат специальные регулировочные винты на стойке искателя. Для удобства наведения (на объекты вблизи зенита) иногда используют оптические искатели с 90-градусным изломом оси.

Диагонали


При наблюдениях в рефракторы, Шмидт- и Максутов- и прочие Касегрены невозможно обойтись без так называемых диагоналей (не стоит их путать с диагональным зеркалом в схеме Ньютона). Это окулярные оптические узлы, которые ломают визирную ось на 90 или 45 градусов для удобного положения головы наблюдателя. Иногда эти диагонали называют "звездными" (star-diagonal). Диагонали могут быть выполнены на основе зеркала или призмы. Призмы с "крышей" позволяют получать так называемое прямое изображение ("верх" - сверху, "право" - справа), но при этом довольно дороги, а в 2" исполнении еще и тяжелы. Зеркала легче, но при обычном покрытии приводят к дополнительным потерям света (порядка 15%). Диагональные зеркала с диэлектрическим покрытием призваны уменьшить потери света (до 1%), но довольно нетехнологичны, что приводит к их высокой стоимости. Так же как и окуляры диагонали могут быть 1.25" и 2" стандарта.

Прочее навесное оборудование трубы телескопа


ТТС может быть также оборудована системой принудительной вентиляции - для ускорения теплового равновесия трубы с окружающим воздухом во время наблюдения (обычно это просто вентилятор), без чего объективам с зеркальными элементами трудно рассчитывать на качественное изображение. Материал трубы важен по тем же соображениям. Металл очень быстро (но и предсказуемо) реагирует на смену окружающей температуры, некоторые композитные материалы на основе углеволокна почти не меняют свои размеры при перепадах температуры и т.д.

Для защиты передней линзы телескопа от росы и инея служат пассивные и активные противоросники. Пассивные противоросник - просто съемная или постоянная бленда, которая расположена перед объективом. Чем бленда длиннее (1.5-2 диаметра объектива), тем она эффективнее для борьбы с росой. Важен и материал - неметалл тут лучше. Однако для гарантированного предотвращения выпадения росы требуются активные противоросники со слабым электрическим подогревом оправы передней линзы объектива.

Астрономические фильтры


При наблюдении Солнца перед объективом размещают зеркальный фильтр для блокировки большей части излучения (1:100000). При наблюдениях планет в юбку окуляра (со стороны противоположно его глазной линзе) по стандартной резьбе вкручивают цветные фильтры. При наблюдениях диффузных туманностей там-же располагают узкополосные интерференционные так называемые "дипскай" фильтры (OIII, UHC, Hbeta, Halfa, LPR и т.п.), которые увеличивают контраст некоторых туманных объектов и более или менее эффективно борются с искусственной и естественной засветкой неба.

Корректоры поля зрения


Важными принадлежностями астрографа и в меньшей степени визуального телескопа являются оптические корректоры и присоединительные адаптеры. Это, к примеру, корректор комы для Ньютона, который устраняет главный дефект этой схемы - внеосевую кому или неизопланатизм, что делает качество изображения светосильных Ньютонов много лучше. Это и корректоры вторичного хроматизма для ахроматов повышающие качество их изображения почти до апохроматического. Это и корректоры-полеспрямители для превращения рефракторов и Шмидт-Кассегренов в астрографы. В эту же категорию можно отнести компрессоры, которые повышают относительное отверстие объективов (в основном Шмидт-Кассегренов) до 1:6.3 и даже более.

Прочие особенности трубы телескопа


Кроме этого, совместно с телескопом используются и более экзотичные принадлежности ТТС: флип-зеркала (соединение визуального и фотографического канала наблюдения), солнечные призмы, клинья, спектральные приборы, гиды (дополнительная труба большого увеличения для автоматической или ручной компенсации погрешностей ведения монтировки), внеосевые гиды (для гидирования без использования дополнительной трубы), окуляры с измерительной сеткой и много другое.

ТТС обычно имеет посадочные отверстия кдля крепления дополнительной аппаратуры (гиды, фотоаппараты) и снабжается крепежными устройствами для установки на монтировке. Это могут быть кольца и так называемый "ласточкин хвост". При самостоятельной комплектации телескопа важно, чтобы стандарт крепления ТТС и монтировки совпадал.

Монтировка телескопа


Монтировка телескопа обеспечивает наведение его ТТС на астрономические объекты, фиксацию наведения, уверенное и точное сопровождение вслед за суточным вращением небесной сферы, удобное для наблюдателя расположение окуляра/фотоприемника. Монтировка может быть экваториальной (ее неподвижная ось расположена параллельно оси вращения земли - под углом к горизонту равном широте наблюдения), или азимутальной, когда неподвижная ось расположена вертикально. Экваториальные монтировки обеспечивают простое сопровождение астрономических объектов (вращением вокруг одной полярной или часовой оси). Азимутальные монтировки компактнее, понятнее в использовании (в том числе и по земным объектам) и дешевле (монтировка Добсона выглядит просто как перевернутая табуретка). Практически все азимутальные и многие экваториальные монтировки имеют симметричную вилочную конструкцию (труба довольно жестко крепится между перьями ее вилки, продолжение главной оси монтировки проходит через центр тяжести трубы телескопа). Самая распространенная немецкая монтировка - несимметричная. ТТС на ней уравновешивается противовесом, который располагается на оси склонений. Немецкая монтировка очень универсальна (на нее можно "повесить" разные по размеру ТТС), но более тяжелая и габаритная, по сравнению с вилочной.

Балансировка монтировки телескопа


ТТС при установке в монтировку требует баллансировки - чтобы при отпущенных тормозах обеих осей труба при любом положении оставалась в безразличном равновесии. Это достигается продольными смещениями ТТС в ее креплении к монтировке (вдоль оси трубы), разворотами трубы в хомутах (кольцах), подбором массы противовеса (если он есть) или его смещениями вдоль оси склонения. В случае правильно балансировки механика монтировки испытывает наменьшие нагрузки, работает точнее, обеспечивая более стабильный результат сопровождения/наведения.

Способы наведения телескопа


В самом простом случае наведение телескопа осуществляется вручную. Отжимаются тормоза (если они есть) по обеим осям монтировки и труба наводится наблюдателем, который при этом смотрит в искатель, стараясь совместить объект (или ближайший к нему видимый ориентир) с визиром или перекрестьем искателя. Если есть ключи (маховички) точного наведения, то тормоза зажимаются и наблюдатель уже наводится поточнее используя эти ключи, наблюдая через поисковый окуляр телескопа (с максимальным полем зрения). Возможно также наведение по координатным кругам монтировки, но это довольно хлопотно и неточно. Обычно такой метод применяют при дневных наблюдениях Венеры и Меркурия.

Для того, чтобы астрономический объект вследствие суточного вращения Земли не покинул поле зрения телескопа (со скоростью 15 угловых минут за одну минуту времени на небесном экваторе) монтировке требуется часовое сопровождение. Оно обеспечивается или вручную наблюдателем (ключем/маховичком точного ведения вокруг поляной оси), или "часовиком" - двигателем полярной оси или совместной работой пары двигателей на азимутальной монтировке. Привод полярной оси состоит из электродвигателя, червячной передачи, редуктора и электронной схемы синхронизации скорости вращения. Часто монтировки выпускают с опциональным часовым приводом - его можно докупить потом. Часовой привод необходим для фотографических наблюдений и весьма полезен для комфортабельных визуальных наблюдений, особенно групповых и с большими увеличениями (при наблюдении планет).

Более продвинутым вариантом является монтировка с электроприводами по обеим осям. Наблюдатель получает возможность осуществлять наведение просто с кнопочного пульта, который к тому же может отображать текущие координаты объекта, на которые наведена ТТС. Иногда такая систмеа наведения дублируется возможностью ручного наведения (что надежнее, если вдруг сядут батарейки), иногда - нет. Такие компьютеризированные пульты позволяют наводиться с разными скоростями, сопровождать объект со звездной, лунной или солнечной скоростью, производить тонкую коррекцию положения оси визирования, например при гидировании. Важными опциями таких систем при астрофотографии является возможность подключения систем автогидирования (при наличие соответствующих интерфейсов).

Вершиной компьютеризованной монтировки является система go-to, когда пульт не только позволяет навести телескоп на любую точку небесной сферы, но и содержит базу данных объектов наблюдения - остается только выбирать заинтересовавший из списка и нажать "ОК", что исключает процедуру ручного наведения и ориентации на небе. Для того, чтобы система go-to заработала, требуется произвести предварительную процедуру привязки монтировки к горизонту, направлению на север, задать точное время и координаты. Блок с приемником GPS, если он установлен на компьютере монтировки, выполняет две последние операции самостоятельно. Ориентация (alignment) в таком случае сводится в уточнению наблюдателем положения в окуляре двух-трех выбранных компьютером звезд привязки.

Назад к оглавлению статей
Вложения
telescope.JPG
telescope.JPG (23.56 КБ) Просмотров: 16070
bot

 
Сообщения: 31
Зарегистрирован: 28 окт 2009, 12:20

Вернуться в ЧАВО

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 3