Термины и понятия телескопов

Термины и понятия телескопов

Рефрактор (линзовый телескоп)

В рефракторах, как главный светособирающий элемент, применяется линзовый объектив Подавляющее большинство таких телескопов,  в зависимости от модели и апертуры, используют ахроматический  (2х-элементный) объектив для того, чтобы исправить хроматическую аберрацию – цветную «окантовку» вокруг ярких и контрастных объектов, которая возникает при прохождении светового потока сквозь линзы. В результате получается высококонтрастное, чёткое изображение, которое ценят любители наблюдений Луны и планет. 

Одним из главных недостатков ахроматов есть неполное исправление хроматизма. Причина заключается в том, что в ахроматах фиолетовый и (инфра)красный свет фокусируються за- и перед- точкой фокусировки основного спектра (от красного до синего). Эту абберацию можно исправить практически полностью, если изготовить объектив из нескольких компонентов, специально подобранных экзотических марок стекла. Это уже рефрактор-апохромат. Однако стоимость таких объективов очень высока. Телескоп с объективом из 3-х элементов диаметром всего 80мм будет стоить около 1000 долларов США.

Ещё один недостаток -  ограниченная максимальная апертура (диаметр) рефракторов. Объективы диаметром 150-170 мм становятся очень тяжелыми и дорогими. Объективы с диаметром более 250 мм сейчас практически не выпускаются.

Рефлектор (зеркальный телескоп)

В телескопах-рефлекторах (телескопах системы Ньютона) используется иной способ «собирания» лучей — отражение входящего света вогнутой зеркальной поверхностью.

Такую конструкцию имеют телескопы - рефлекторы. Самыми популярными на сегодняшний день являются рефлекторы системы Ньютона, т.к. первым такой тип телескопа создал Исаак Ньютон. 

Зеркало такого телескопа - стеклянный диск, одна поверхность которого имеет сферическую или параболическую вогнутую форму и покрыта светоотражающим слоем. При этом хроматическая абберация, как в рефракторе-ахромате, отсутствует, т.к. попадающий в телескоп свет не преломляется, проходя сквозь стекло, а отражается от зеркальной поверхности.

Наиболее просты в изготовлении зеркала сферической формы. Однако, такие зеркала не делают светосильнее f/8, т.к. становиться очень заметной сферическая аберрация. Она будет сильно снижать контраст изображения. Чтобы убрать влияние сферической аберрации в светосильных телескопах главному зеркалу предают форму параболы.

Поскольку сфокусированный главным зеркалом свет отражается назад, его нужно перенаправить, чтобы вывести пучок из трубы. Перенаправление осуществляется с помощью небольшого плоского зеркала эллиптической формы, расположенного под углом в 45 градусов к оптической оси главного зеркала. Однако,вторичное зеркало и конструкция его крепления неизбежно будут частично перекрывать (экранировать) главное зеркало, снижая  количество собираемого им света и снижая общий контраст изображения.

Для производства рефлектора требуется отполировать всего две оптические поверхности (главное и вторичное зеркала), причем качество каждой из них можно проконтролировать отдельно и изготовление телескопов этой системы является наиболее дешевым, по сравнению с телескопами других систем.

Также стоит учитывать, что длинная оптическая труба рефлектора Ньютона делает его более чувствительным к колебаниям от ветра, по сравнению с более компактными системами.

Еще одним недостатком рефлекторов является потребность периодически производить юстировку (настройку) его оптических элементов.

Зеркально-линзовый (катадиоптрический) телескоп

Третья система телескопов, называемых катадиоптрическими (зеркально-линзовыми), представляет собой симбиоз рефракторов и рефлекторов — для того чтобы управлять ходом лучей в них используются и линзы, и зеркала. Такими инструментами являются катадиоптрические телескопы Шмидт-Кассегрена и Максутова-Кассегрена.

В телескопах Шмидт-Кассегрена свет вначале проходит через тонкую асферическую пластину, изготовленную таким образом, чтобы она исправляла сферическую аберрацию главного зеркала. Отразившись от главного, а затем и вторичного зеркала, лучи вновь идут в сторону главного зеркала и выходят из трубы через отверстие в нем. Прямо за этим отверстием находится окуляр или диагональное зеркало. Фокусировка осуществляется перемещением окуляра или главного зеркала.

Основной «плюс» Шмидт-Кассегрена — компактность (труба получается в три раза короче рефлектора Ньютона с тем же фокусным расстоянием). Основной недостаток — относительно большое вторичное зеркало, которое снижает количество собираемого света и ведёт к небольшому падению контраста изображения. Изображение по полю страдает незначительным наличием комы на краю.

Система Максутова-Кассегрена напоминает телескоп Шмидт-Кассегрена, только вместо корректирующей пластины Шмидта в них используется выпукло-вогнутая линза (мениск), обе стороны которой имеют сферическую форму. Вторичным зеркалом в этих телескопах служит небольшой центральный "пятачок", расположенный с внутренней стороны мениска и покрытый отражающим слоем. Проходя через мениск, лучи света попадают на

главное зеркало, отражаются от него и попадает на зеркальный  "пятачок" на внутренней стороне мениска, вновь отражается и, так же как и в телескопах Шмидт-Кассегрена, выходит из трубы через отверстие в главном зеркале. Такая конструкция проще в изготовлении по сравнению с телескопами Шмидт-Кассегрена, но имеет больший вес за счет более тяжелого мениска. Недостатком системы Максутова можно назвать малые светосилы телескопов. Увеличение светосилы ведёт к быстрому увеличению толщины мениска и соответственно веса и общей стоимости телескопа.

Апертура

Главной характеристикой, определяющей оптические (проницание, разрешение) возможности телескопа, является апертура – это диаметр (D) объектива или главного зеркала телескопа. Чем больше апертура, тем больше света способен собрать телескоп. Соответственно, чем больше света собирает телескоп, тем более высокое разрешение он способен дать. А чем больше разрешение, тем больше мелких,слабоконтрастных деталей можно будет разглядеть в телескоп.

Апертура телескопа выражается в дюймах или миллиметрах. Удваивание апертуры означает удваивание разрешающей способности и увеличение количества собираемого света в четыре раза.

Телескопы с большей апертурой отличаются и большими фокусными расстояния. Подобные характеристики позволяют использовать большие увеличения для визуальных наблюдений и фотографирования, при сохранении светосилы (яркости) изображения.

Вместе с увеличением апертуры, повышается количество видимых в телескоп объектов, а также их четкость и контрастность. К примеру, шаровое скопление M13 едва различимо, как "пушистый шарик", в четырехдюймовый телескоп с апертурой 100 мм при увеличении в 105 крат. При аналогичном увеличении в восьми дюймовом телескопе с апертурой 200 мм это шаровое скопление визуально разрешается на отдельные яркие звезды до центра.

Фокусное расстояние

Как и апертура, эта характеристика является одной из основных  для оптического телескопа. Фокусное расстояние (или фокус) – это расстояние, на котором зеркало или объектив формирует изображение бесконечно удаленного предмета. От фокусного расстояния зависит длина трубы телескопа, а также другие характеристики прибора.

Светосила (относительное отверстие)

Светосила телескопа зависит от фокусного расстояния. Она определяется  как отношение фокусного расстояния к диаметру (апертуре) объектива (зеркала) и записывается в виде 1:5, 1:7 и т д. Обратной величиной к светосиле является относительное отверстие (отношение фокусного расстояния к апертуре); данная характеристика записывается в виде f/5, f/7 и т д . Здесь действует прямая зависимость: чем больше относительное отверстие, тем выше светосила. Большая светосила является предпочтительной при астрофотосъемке дипскай-объектов, так как позволяет использовать более короткие выдержки при фотографировании. Телескопы с большой светосилой характеризуются компактностью (за счет более короткого фокуса). Светосильные телескопы максимально эффективны при наблюдении с малыми увеличениями. Однако следует иметь в виду, что чем телескоп более светосилен, тем больше он подвержен различным оптическим аберрациям.

Увеличение

Данная  характеристика определяет отношение фокусного расстояния объектива (зеркала) и окуляра. Максимальное полезное увеличение рассчитывается как удвоенная величина апертуры в мм. Минимальное полезное увеличение равно 0,15, умноженное на апертуру в мм. Например, для рефрактора с апертурой 60 мм диапазон увеличений составит от 10 до 120 крат. Следует иметь ввиду, что на максимальное увеличение телескопа на практике будет влиять множество внешних факторов, например, состояние атмосферы Земли, юстировка телескопа, качество изготовления оптики телескопа и т.п. В большинство ночей в нашем климате увеличение больше 300х не принесёт новых деталей. И лишь в исключительные ночи, в большой качественный инструмент, можно разглядеть более тонкие детали уже знакомых объектов на большем увеличении. Это чётко видно по количеству тонких деталей на дисках Юпитера и в кольцах Сатурна, которые являются таким себе бенчмарком в мире ЛА, и показывают чья оптика лучше.

Поле зрения

Реальное поле зрения системы определяется следующим образом: поле зрения окуляра необходимо поделить на увеличение телескопа с данным окуляром. Чем меньше увеличение системы и больше поле зрение окуляра - тем больше поле зрения системы.

Разрешающая способность

Разрешающая способность телескопа, т.е. его способность разделять близко расположенные объекты, определяется разрешающей способностью объектива (зеркала) с одной стороны и увеличением - с другой. Световые волны, проходя через любое отверстие, интерферируют сами с собой, порождая ряд концентрических темных и светлых колец – дифракционную картину. Объектив (зеркало), - это отверстие, а там, где есть отверстие, есть и дифракционная картина. Центральный участок, в котором сосредоточен максимум световой энергии, называется кружком Эри. Разрешающая способность телескопа ограничена именно диаметром кружка Эри, - если источники света расположены настолько близко друг к другу, что их кружки Эри накладываются друг на друга, для наблюдателя они сливаюися в сплошную картину и он не сможет определенно сказать одна ли это звезда или нет.

Диаметр кружка Эри зависит от длины световой волны и апертуры (диаметра) объектива (зеркала). Для желто-зеленой части спектра его угловой диаметр приблизительно равен: 140"/D, где D - диаметр телескопа, выраженный в миллиметрах. Это и есть теоретическая разрешающая способность для объектива данного диаметра.

Проницающая способность

Проницающая способность телескопа определяется предельной звездной величиной слабейших звезд, которые можно увидеть в данный инструмент в условиях идеально темного неба. Предельную звездную величину (m) для телескопа, апертура (диаметр) объектива (зеркала) которого равен D в миллиметрах, можно приблизительно посчитать по следующей формуле: m = 2,5 + 5 lg D.

Следует учитывать что на проницание телескопа сильно влияет состояние атмосферы (запыленность, турбуленция, прозрачность) а также состояние самого инструмента (юстировка, чистота оптики и т.п.)

Монтировка

Монтировка - это устройство крепления оптической трубы телескопа к штативу (треноге) или колонне, позволяющее направить трубу в заданную точку. Обычно, монтировка имеет две взаимно перпендикулярные оси вращения. Примером самой простой монтировки может служить головка фотоштатива.

Самый хороший телескоп, установленный на плохую монтировку, окажется бесполезным. Какое бы увеличение не использовалось, малейшую вибрацию монтировки телескоп увеличит до уровня землетрясения. В таких условиях рассмотреть в него что-то очень сложно. А для астрофото требования к устойчивости и точности ведения монтировки возрастают в разы: в таких случаях монтировка иногда стоит дороже трубы. К сожалению, почти все монтировки подвержены нежелательным колебаниям. Этому способствует желание производителей сделать монтировку как можно легче, чтобы для ее установки не прилагалось значительных усилий.

В телескопах используются в основном два вида монтировок: вилочная (американская), немецкая (екваториальная) монтировки. Каждая имеет свои плюсы и минусы.

Вилочная (американская) монтировка представляет собой своеобразную «вилку», между зубьями (перьями) которой крепится оптическая труба телескопа. Как ее модификация встречается одноперьевая вилка. Вилочные монтировки -  симметричны, и поэтому не требуют дополнительной балансировки трубы, потому они более компактные и более легкие. К недостаткам можно отнести жесткую привязку оптической трубы к монтировке, что делает неудобным установку дополнительных аксессуаров.

Немецкая монтировка используется в основном в экваториальной ориентации (когда одна из осей монтировки параллельна оси вращения Земли). При грамотной конструкции обладает высокой стабильностью и универсальностью, позволяющей закрепить на ней любую оптическую трубу и аксессуары.   Недостатком является асимметричность крепления трубы относительно одной оси вращения, что приводит к необходимости уравновешивания трубы телескопа с помощью противовесов и сказывается на общем весе инструмента. Немецкая монтировка более габаритна по сравнению с вилочной.

Монтировки имеют одну из двух основных ориентации в пространстве: азимутальную или экваториальную.

При азимутальной ориентации происходит вращение осей монтировки по высоте и азимуту (горизонту). Установленный на азимутальную монтировку телескоп может поворачиваться вверх-вниз и по горизонтали. Чтобы сопровождать планету на большом увеличении в поле зрения телескопа, по мере суточного вращения небесной сферы,  придется его активно поворачивать по обеим осям. Азимутальная монтировка проще, легче и дешевле равной по стабильности экваториальной монтировки. Это преимущество в полной мере было воплощено в монтировках Добсона, предназначенных для больших и недорогих рефлекторов.

Экваториальная ориентация – ориентация осей, когда одна направлена в Полюс мира (около Полярной звезды) и позволяет легко следить за объектом на небесной сфере, а вторая перпендикулярна ей и обеспечивает поворот по высоте над небесным экватором. Если этого поворота не делать, то астрономический  объект довольно быстро уходит из поля зрения телескопа: при 100х увеличении - менее чем за одну минуту. На многих экваториальных монтировках устанавливается “часовой механизм”, который автоматически осуществляет это сопровождение.

Чтобы воспользоваться вышеуказанными возможностями, экваториальную монтировку после установки телескопа на месте наблюдения необходимо      сориентировать относительно полюса мира. Для визуальных наблюдений особой точности ориентации не требуется, и выполнить ее очень просто. Достаточно наклонить монтировку таким образом, чтобы ее полярная ось находилась на  одной линии по лучу зрения с Полярной звездой.

Система GoTo  представляет собой компьютеризированную монтировку, которая включает в себя базу данных небесных объектов и электроприводы по обеим осям. Подобная монтировка дает возможность заметно облегчить поиск и слежение за определенным небесными объектами. С помощью системы GoTo наблюдатель задает параметры небесного объекта, и телескоп наводится на него автоматически. При этом слежение за объектом может производиться с лунной, звездной или солнечной скоростью. Более совершенный вид системы включает в себя также приемник GPS, который дает возможность совершить более точную привязку к месту наблюдения. Данная функция особенно важна при астросъемке. Система автонаведения обычноустанавливается на дорогостоящие профессиональные телескопы.

Окуляр

Окуляр является одним из важнейших оптических элементов телескопа, через который непосредственно происходит наблюдение небесного объекта. Наиболее популярными окулярами являются окуляры с диаметром посадочной юбки 1.25 и 2 дюйма.

Окуляры имеют следующие характеристики:

Фокусное расстояние и увеличение

Важный параметр окуляра - фокусное расстояние (указывается в миллиметрах). Именно фокусным расстоянием окуляра определяется, какое увеличение способен дать окуляр на конкретном телескопе. Для определения увеличения телескопа нужно фокусное расстояние телескопа поделить на фокусное расстояние окуляра. Например, фокусное расстояние телескопа равно 1000 мм, а окуляра 10 мм. Тогда, увеличение телескопа равно 100х (1000\10=100). На астрономическом рынке можно найти окуляры с фокусным расстоянием от 56 мм до 2 мм.

Посадочный диаметр

Посадочный диаметр или диаметр барреля (юбки окуляра) стандартен, его принято указывать в дюймах. Сегодня в продаже основные типоразмеры окуляров - с размером барреля 1.25" и 2". Обычно, двухдюймовые окуляры дают небольшое увеличение, но обладают большим полем зрения, что является их главным достоинством. Такие окуляры сложны в производстве и поэтому дороги.

Поле зрения

Полем зрения окуляра называют угловое расстояние между границами видимого поля зрения. В зависимости от оптической схемы, окуляры имеют различное поле зрения, и на сегодняшний день в продаже имеются окуляры с полем от 35°  до 100°.

Важное замечание: следует не путать поле зрения окуляра с так называемым истинным (реальным) полем зрения телескопа. Истинное поле зрения - поле зрения всей системы телескопа, включая окуляр.

Вынос выходного зрачка

Вынос выходного зрачка - расстояние от «глазной» линзы окуляра до точки на его оптической оси, куда нужно поместить глаз, чтобы увидеть все поле зрения.

От выноса зрачка напрямую зависит комфортность наблюдения. Так, при использовании окуляра с малым выносом зрачка, наблюдателю приходится располагать глаз очень близко к линзе окуляра, что не совсем комфортно. Кроме этого, ресницы, упираясь в линзы окуляра, оставляют следы на нём следы. Как правило, чем короче фокусное расстояние окуляра, тем меньше вынос зрачка. Поэтому, на рынке астротоваров присутствуют оптические схемы, призванные расположить выходной зрачок на комфортном расстоянии. Так, некоторые модели окуляров имеют фиксированный вынос зрачка вне зависимости от фокусного расстояния. Практика показывает, что комфортное значение выноса выходного зрачка ограничено верхним пределом в 25мм.

Искатель

Искатель – «прицел» телескопа, он позволяет наводить трубу на выбранный объект наблюдений. Обычно это оптическое устройство. Искатель коллиматорного типа со светодиодом (ред-дот, телрад) быстр и прост в использовании, но требует хорошего черного неба с обилием звезд, которые могут быть использованы в качестве "опорных" при наведении. Оптический искатель - это простая подзорная труба небольшого (4-6-8 крат) увеличения с перекрестием (которое может иметь регулируемую по яркости подсветку, что очень удобно). Оптический искатель увеличивает число видимых глазом звезд и позволяет использовать в качестве опорных при наведении не столь яркие. Оптическая ось любого искателя должна быть тщательно согласована с визирной осью телескопа, для этого служат специальные регулировочные винты на стойке искателя.

Линза Барлоу

Это оптический элемент, который представляет собой рассеивающую (отрицательную) линзу или систему линз, применяемую для увеличения его фокусного расстояния и, как следствие, полезного увеличения телескопа.

Линза Барлоу устанавливается перед окуляром, а сам окуляр устанавливается в корпус линзы. Линза Барлоу имеет определенную кратность изменения фокусного расстояния телескопа, которая указывается на корпусе линзы. Например, 2х Барлоу увеличивает фокусное расстояние в два раза, что в свою очередь приводит также к изменению увеличения в два раза. Обычно, линзы Барлоу имеют два стандартных посадочных диаметра- на 1.25 и 2 дюйма. Линза барлоу имеет два свойства, о которых обыно не указывается в характеристиках - она меняет точку фокусировки, тоесть если сфокусировать телескоп с окуляром, потом вынуть окуляр, вставить ЛБ, вставить окуляр - то изображение будет не в фокусе, и надо будет выдвинуть фокусировщик наружу. Если между ЛБ и окуляром вставить проставку (например, диагональное зеркало) то кратность барлоу увеличится. Точные значения вышеперечисленных особенностей производителю невозможно рассчитать, так как они зависят от типа оптической системы, фокусного расстояния телескопа пользователя.

Диагональное зеркало (призма)

Диагональ (не путать с диагональным или вторичным зеркалом в рефлекторе) используется в рефракторах или зеркально-линзовых телескопах. Она отклоняет световые лучи на 45 или 90 градусов, тем самым упрощая наблюдение объектов, которые расположены на большой высоте над горизонтом. Кроме того, диагональное зеркало «переворачивает» изображение в рефракторах и катадиоптриках (но оставляет отзеркаленым), диагональная призма же даёт полностью правильное земное изображение, но призмы имеют меньший коэффициент пропускания, чем диэлектрические зеркала. Диагонали имеют два стандартных посадочных диаметра - на 1.25 и 2 дюйма.

Фокусёр

Это механическое устройство,  позволяющее осуществлять механический сдвиг вдоль оптической оси окулярную трубку трубы телескопа, для фокусировки изображений объектов, для компенсации различий в положении фокальных плоскостей различных окуляров (фотокамер). Фокусер характеризуется ходом(диапазоном перефокусировки) и наличием редуктора скорости. Двухскоростные фокусеры имеют и достаточный ход, и неплохую чувствительность. Простые реечные фокусеры обычно имеют заметное «прыгание» поля зрения при перемене направления фокусировки. Лучшее качество фокусировки обеспечивают фокусеры Крейфорда и их модификации, но они не столь грузоподъемны (могут не удержать тяжелое окулярное оборудование).

В последнее время на рынке появились так называемые линейные фокусёры, которые соединяют в себе преимущества фокусёров Крейфорда и реечных фокусёров.