Телескоп, виды, характеристики и принцип работы

Что такое телескоп?

"Телескоп - это устройство, которое используется для наблюдения за небесными телами и другими объектами, находящимися на расстоянии. Он состоит из нескольких основных компонентов: объектива, зеркала или линзы, механизма фокусировки и системы крепления..."

Истоия изобретения

История создания телескопов начинается в глубокой древности. Еще в античности люди использовали увеличительные стекла, чтобы рассмотреть далекие объекты. Однако, настоящий телескоп появился только в конце XVI века благодаря Галилео Галилею.

В 1608 году ученый сконструировал первый телескоп, который позволял наблюдать за небесными объектами. Он использовал зеркало, которое было изготовлено из полированной меди. Этот телескоп имел диаметр 37,5 см и мог увеличивать объекты в 25 раз.

Позже, в XVII веке, появились другие телескопы, которые использовали различные оптические элементы, такие как линзы и призмы. В XVIII веке были созданы телескопы с использованием вогнутых зеркал, которые увеличили возможности наблюдения за космическими объектами.

С развитием науки и технологий в XIX веке появились новые типы телескопов, такие как зеркальные телескопы и радиотелескопы. В XX веке были разработаны телескопы с высокой разрешающей способностью и возможностью наблюдения за микроскопическими объектами на Земле.

Сегодня  приборы используются в различных областях науки, таких как астрономия, физика, геология и медицина. Они позволяют ученым изучать далекие галактики, звезды, планеты и другие космические объекты, а также исследовать микромир на Земле.

Принцип работы телескопа

Принцип работы телескопа заключается в том, что свет от удаленного объекта фокусируется на чувствительной поверхности, такой как фотопластинка или матрица камеры. Этот процесс называется оптической системой телескопа.

Телескоп состоит из трех основных частей:

• зеркала,
• окуляра,
• оптической системы.

Зеркало является основным элементом телескопа и используется для отражения света от удаленного объекта на чувствительную поверхность. Окуляр используется для фокусировки изображения на глазу наблюдателя. Оптическая система состоит из линз, зеркал и других оптических элементов, которые работают вместе для создания изображения удаленного объекта.

Когда свет от удаленного объекта попадает на зеркало телескопа, он отражается на оптическую систему. Эта система включает линзы, призмы и другие оптические элементы, которые изменяют направление и форму света, чтобы сфокусировать его на чувствительной поверхности. После этого изображение удаленного объекта появляется на чувствительной поверхности телескопа.

Принцип работы телескопа:

• Объектив (линза или зеркало) собирает свет от объекта на фокусной точке.
• Фокусная точка находится в центре объектива и расположена под углом к оптической оси телескопа.
• Оптическая ось - это линия, проходящая через центр объектива и центр наблюдательной камеры.
• Наблюдательная камера расположена на оси телескопа и используется для наблюдения за объектом.
• В центре наблюдательной камеры находится окуляр, который фокусирует изображение объекта на наблюдателе.
• Окуляр позволяет наблюдателю видеть изображение объекта с увеличением, которое зависит от его конструкции и фокусного расстояния объектива.
• Телескоп позволяет увеличивать изображение объекта и получать более детальное представление о его структуре и свойствах.

Конструкция телескопа, как устроен

Телескоп состоит из трех основных частей: системы наведения, системы фокусировки и оптической системы. Система наведения отвечает за перемещение телескопа в пространстве, чтобы навести его на нужный объект. Это может быть сделано вручную или автоматически с помощью компьютера или других устройств.

Оптическая система

Оптическая система телескопа - это совокупность оптических элементов, которые используются для формирования изображения наблюдаемого объекта на окуляре или камере. Она включает в себя:

• Объектив - это элемент, который собирает свет от объекта и фокусирует его на следующем элементе.
• Окуляр - это элемент, который увеличивает изображение, полученное от объектива, и делает его более четким.
• Видоискатель - это устройство, которое позволяет наблюдателю видеть изображение объекта без необходимости смотреть в окуляр.
• Зеркало - это элемент, который используется для отражения света от объектива на окуляр или видоискатель.
• Апертура - это диаметр отверстия, через которое свет проходит через оптическую систему телескопа. Чем больше апертура, тем больше света может быть собрано и тем выше качество изображения.
• Фокусное расстояние - это расстояние между объективом и окуляром, которое определяет, как далеко объект будет находиться от наблюдателя при просмотре через телескоп.
• Разрешающая способность - это способность телескопа различать два близко расположенных объекта. Чем выше разрешающая способность, тем более мелкие детали можно увидеть на изображении.

Механизм наведения и фокусировки

Это устройство, которое позволяет изменять положение телескопа и фокусировать изображение на объекте наблюдения. Обычно он состоит из вращающегося механизма, который позволяет передвигать телескоп в любом направлении, и фокусировочного кольца, которое контролирует фокусное расстояние.

Механизм наведения гироскопа использует эффект Кориолиса, чтобы удерживать телескоп в определенном положении на небе. Он может быть использован для наведения на определенную звезду или созвездие. Обычно он состоит из двух частей: механизма наведения (например, гироскопа) и механизма фокусировки (например, системы линз).

Механизм фокусировки используется для изменения фокусного расстояния телескопа, что позволяет изменять глубину резкости и увеличивать или уменьшать детализацию изображения. Он может включать в себя систему линз или зеркал, которые изменяют угол падения света на матрицу камеры.

Штатив

Штатив для телескопа - это специальный механизм, который позволяет установить и зафиксировать телескоп на определенной высоте. Он обеспечивает стабильность и устойчивость телескопа во время наблюдений, что позволяет получать более качественные изображения и наблюдать за объектами с высокой точностью.

Штативы могут быть различных типов и размеров, в зависимости от типа телескопа, который вы используете. Некоторые образцы имеют регулируемые ножки, которые позволяют настраивать высоту телескопа в зависимости от условий наблюдения.

Другие штативы могут иметь дополнительные крепления для установки дополнительных аксессуаров, таких как фильтры или окуляры.

При выборе механизма необходимо учитывать его вес, устойчивость и удобство использования. Также рекомендуется выбирать штатив, который подходит для вашего конкретного телескопа и условий наблюдения.

Дополнительные элементы

Это различные аксессуары, которые могут быть добавлены к телескопу для улучшения его функциональности и удобства использования. Например, это могут быть фильтры для изменения цвета изображения или лунный фильтр для более четкого наблюдения Луны.

В целом, конструкция телескопа зависит от его типа и назначения. Однако, основные элементы, такие как оптическая система и механизм наведения, являются общими для всех телескопов.

Виды телескопов

Рефракционные телескопы

В этих приборах используются две фокусирующие линзы, где расстояние между ними равно сумме фокусных расстояний (оба взяты как положительные). Он создает перевернутые изображения. Между линзами находится реальная плоскость изображения. Линза большего размера на входе называется объективом, а линза, направленная на наблюдающий глаз, является окулярной линзой (окуляром).

Проблема кеплеровского телескопа заключается в том, что поле зрения серьезно ограничено размером глазной линзы. Можно увеличить поле зрения, установив дополнительный полевой объектив.

Телескоп Галилея для того же увеличения, содержит фокусирующую и рас фокусирующую линзы и выдает не инвертированные изображения. У него нет реальной плоскости изображения.

Линзы вызывают хроматические, связанные с зависимостью фокусного расстояния объектива от оптической длины волны. Эта проблема часто значительно уменьшается при использовании дублета ахроматической линзы или даже апохромата с тремя линзами, по крайней мере, для объектива, иногда также для окуляра. 

В остальном конструкция объективов для телескопов часто довольно проста (например, по сравнению с фотографическими объектами), по крайней мере, если для применения достаточно относительно небольшого поля зрения. 

Для объективов с относительно широким полем зрения требуются более сложные конструкции, например, для астрокамер. См. Ниже для получения дополнительной информации об оптических аберрациях.

Для инвертирующих типов телескопов можно либо принять эту инверсию, либо отменить ее с помощью дополнительной оптики. Для телескопов с доставкой света на фотопленки или датчики изображения инверсия, конечно, не имеет значения. Рефракционные телескопы часто используются в форме бинокля.

Обратите внимание, что рефракционные телескопы не обязательно должны полагаться на линзы: они также могут быть реализованы с призмами, обычно в виде пар аморфных призм.

Отражающие телескопы

Телескопы также могут быть реализованы на основе чисто отражающей оптики, то есть с зеркалами. Хотя функции фокусировки и рас фокусировки легко достигаются с помощью изогнутых зеркальных поверхностей, требуется адаптация конструкции, чтобы справиться с неизбежным изменением направления луча при отражении. Два распространенных решения – телескоп Кассегрена и телескоп Ньютона.

Оба имеют вторичное зеркало, которое подвешено на некотором пауке и вызывает круговое центральное затемнение основного зеркала. Это приводит к некоторой потере разрешения, чего избегают некоторые другие конструкции телескопов, где, однако, присущая асимметрия вызывает другие типы проблем.

Обе системы не являются афокальными, как объяснялось выше, а скорее создают фокальную точку в доступной области, где можно разместить датчик изображения, например. Однако, конечно, нет проблем преобразовать такой телескоп в афокальную систему для прямого наблюдения человеческим глазом.

Отражающие телескопы обычно работают с асферическим зеркалами. Например, отражатели Кассегрена основаны на параболическом основном зеркале и гиперболическом вторичном зеркале, которое отражает свет через отверстие в основном зеркале.

Основыне преимущества

Избегается любая цветовая дисперсия. Это преимущество уже было реализовано Исааком Ньютоном, который поэтому в 1668 году разработал первый телескоп-рефлектор, названный ньютоновским телескопом.

Можно изготовить относительно большие зеркала телескопа, которые все еще имеют разумный вес, в то время как большие линзы стали бы очень тяжелыми и дорогими. По этим причинам отражающие телескопы стали обычным решением для астрономии.

Ранние отражающие телескопы страдали от проблемы быстрого потускнения отражающих поверхностей при использовании зеркальных металлических зеркал. Эта проблема была в значительной степени решена с помощью покрытых металлом зеркал первой поверхности на основе стеклянных или керамических зеркальных подложек. Они также более твердые, то есть более точно сохраняют свою форму, а некоторые из них обладают очень малыми коэффициентами теплового расширения.

Чрезвычайно точные большие зеркала телескопа в настоящее время обычно изготавливаются из стеклокерамических материалов подложки, оптимизированных для очень низкого коэффициента теплового расширения. 

Обратите внимание, что отклонения от идеальной формы в идеале должны быть намного ниже одной оптической длины волны. Точность волнового фронта может быть дополнительно улучшена с помощью адаптивной оптики, которая обычно исправляет искажения от основного зеркала не в их источнике, а в более удобном месте, где путь луча более компактный.

Астрономические телескопы

Для астрономических наблюдений были разработаны довольно большие телескопы – чаще всего с архитектурой Кассегрена. Самые большие из реализованных имеют открытые отверствия диаметром около 10 м. 

В этом случае предел дифракции для углового разрешения обычно становится недостижимым из–за искажений изображения в атмосфере - даже когда телескопы установлены на высоких горах. Поэтому для коррекции таких искажений все чаще используется адаптивная оптика. 

Измерение искажений, подлежащих исправлению, может быть произведено на том же телескопе либо с использованием света от звезд, либо от искусственных лазерных напрвляющих звезд.

В настоящее время планируется создание нескольких еще более крупных телескопов с апертурами выше 20 м и частично даже значительно выше 30 метров.

Астрономические наблюдения часто требуют значительного времени для получения достаточного количества световой энергии для правильной экспозиции фотопленки или датчика изображения. Затем необходимо точно переместить телескоп таким образом, чтобы компенсировать влияние вращения Земли.

Высокая производительность требуется также от используемых датчиков, которые в основном имеют тип CCD. В различных телескопах используются довольно большие конструкции датчиков, возможно, включающие несколько ПЗС-чипов. Для максимальной чувствительности они часто работают при низких температурах. Кроме того, можно провести дополнительные измерения в условиях темноты и применить алгоритмы вычитания шума.

Некоторые крупные обсерватории (например, Европейская южная обсерватория в Чили с ее Очень большим телескопом) работают с комбинацией нескольких телескопов, комбинируя сигналы от них с интерферометрией для существенного дальнейшего увеличения углового разрешения.

Другой вариант избежать проблемы атмосферных искажений – разместить телескоп за пределами атмосферы Земли - обычно на орбите вокруг Земли. Наиболее известным примером является космический телескоп Хаббла (HST), который был запущен в 1990 году и в течение нескольких десятилетий доставлял астрономические изображения огромной научной ценности. 

Хотя его входная апертура в 2,4 метра мала по сравнению с наземными телескопами, отсутствие атмосферных искажений обеспечивает очень высокое качество изображения. Может использоваться свет в видимой, ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях. 

Позже были развернуты другие космические телескопы, например, телескоп Гершеля в 2009 году, который, однако, работает в дальнем инфракрасном диапазоне. Ожидается, что планируемый космический телескоп Джеймса Уэбба будет охватывать диапазон длин волн от 0,6 мкм до 28,5 мкм с основным зеркалом диаметром 6,5 м.

Вместо визуализации можно анализировать свет, исходящий от звезды или галактики, например, с помощью высокочувствительного спектрометра. В других случаях поляризационные свойства света тщательно изучаются с использованием поляриметров.

Существуют также солнечные телескопы, которые сделаны специально для получения изображений деталей Солнца. Здесь определенно не хватает яркости; напротив, система должна быть способна выдерживать значительные оптические мощности. 

Из-за сравнительно небольшого расстояния наблюдения угловое разрешение обычно не должно быть таким высоким, как для наблюдения далеких звезд. Соответственно, конструкции телескопов сильно отличаются от конструкций других астрономических телескопов.

Телескопы для наземных наблюдений

Небольшие наземные телескопы часто изготавливаются в виде ручного бинокля, по существу состоящего из двух независимых телескопов – по одному на каждый глаз. Пространственное разделение двух целей может быть увеличено за пределы расстояния между человеческими глазами, чтобы добиться лучшего 3D-зрения. 

Требуемая модификация траекторий луча может быть произведена с помощью призм, которые могут в то же время отменить инверсию изображения, насколько это вызвано другой оптикой. Бинокль обычно используется в таких целях, как орнитология, охота, наблюдение за спортом и военная разведка.

Существуют также компактные монокуляры для просмотра одним глазом, которые могут быть изготовлены с меньшей стоимостью и весом.

Большие телескопы, например, для применения в геодезии, часто изготавливаются в виде монокуляров и монтируются на гибкой системе, которая может приводиться в движение для точного наблюдения в определенных направлениях.

Небольшие телескопы устанавливаются на винтовки для точного прицеливания и называются оптическими прицелами. Подобные телескопы также используются для других видов оружия.

Телескопы с оптической линзой

Телескопы, которые сочетают в себе преломляющую и отражающую оптику, назваются катадиоптрическими.

Эта комбинация предоставляет дополнительные возможности для коррекции аберраций изображения (даже при широком поле зрения) и для разработки компактных и легких конструкций. Простейшим типом является катадиоптрический диалит, состоящий из одноэлементной фокусирующей линзы в качестве объектива и вогнутого зеркала с серебряным покрытием.

Параметры оптических телескопов

Увеличение

Увеличение - это коэффициент, на который увеличивается угловое разрешение для наблюдателя по сравнению с прямым просмотром (без телескопа). Этот параметр, конечно, имеет значение только для телескопов, которые используются вместе с человеческим глазом вместо датчика изображения.

Конструкция с большим увеличением не обязательно имеет высокое разрешение изображения. Однако увеличение должно быть достаточно большим, чтобы в полной мере использовать разрешение изображения – как в микроскопе.

Можно реализовать различные значения увеличения телескопа, используя разные окуляры в зависимости от условий наблюдения. Общее угловое увеличение является произведением этих параметров объектива и окуляра.

Поле зрения

Поле зрения - это диапазон угловых направлений, которые можно просматривать при фиксированной ориентации телескопа. Как объяснялось выше, это часто ограничено аберрациями изображения, которые становятся более серьезными при экстремальных углах обзора.

Большое поле зрения особенно актуально, например, для астрономических обзорных телескопов, которые используются для получения изображений больших участков неба.

Разрешение изображения и мощность телескопов

Достижимое разрешение изображения телескопа, определяемое как угловое разрешение со стороны объекта, в конечном счете ограничено дифракцией, если оптическое качество отличное; основным конструктивным параметром является диаметр входной апертуры. 

Хотя выходная апертура намного меньше, дифракция менее важна из-за увеличения изображения. Угловое разрешение можно оценить как 1,22 оптической длины волны, деленной на диаметр апертуры. Для зеленого света в телескопе с 1-метровым зеркалом это приводит к разрешению ≈ 0,67 мкрад = 0,14 угловых секунд.

Большая апертура обычно также приводит к высокой мощности сбора света, что важно для наблюдения слабых объектов, таких как далекие звезды.

Типичный формат спецификации

Наиболее важными конструктивными параметрами телескопа являются открывающая апертура и увеличение. Они часто указываются в компактной форме, например, как 8 × 30 для бинокулярного телескопа, если увеличение равно 8, а входной диаметр равен 30 мм. 

Для астрономического телескопа такая спецификация может не указываться, поскольку прибор может использоваться с разными окулярами, что приводит к разным значениям увеличения.