Отражающие и преломляющие телескопы разница, принципы, особенности и для чего используются раздел астрофизика

Устройства, которые мы используем для сбора астрономических данных, называются телескопами. В зависимости от того, как они обрабатывают электромагнитное излучение, они имеют разные преимущества, недостатки и виды применения. Основное разделение, используемое при изучении телескопов, заключается в их классификации на основе основного оптического эффекта, который происходит внутри них: отражение (для отражающих телескопов) и преломление (для преломляющих телескопов).

Что такое отражение и преломление?
Отражение - это изменение направления волны на границе раздела, разделяющей две разные среды, так что волна перенаправляется к среде, в которой она распространялась.

Преломление - это изменение направления волны, когда она покидает среду и входит в другую.

Это два изменения направления, которые может претерпевать электромагнитная волна при столкновении с различными объектами или средами. Наряду с дифракцией, они предлагают точное и полное описание явлений, связанных со светом, приходящим из Вселенной и измеряемым телескопами.

Когда электромагнитная волна сталкивается с новой средой, обычно есть часть, которая отражается, и часть, которая преломляется.

В этом контексте полезно отметить законы Максвелла, основные законы электромагнетизма, которые описывают каждое классическое (не квантовое) электромагнитное явление, которое касается таких вопросов, как:

Угол, под которым преломляется свет (показатели преломления).

Условия, определяющие, сколько света преломляется и отражается.

Почему угол отражения совпадает с углом падения входящей волны при определенных обстоятельствах.

Каковы основные характеристики отражающих телескопов?

В простых отражающих телескопах в предположении идеальных зеркал мы можем изучить расположение зеркал и мощность увеличения (усиление изображений, предоставляемых телескопом), чтобы классифицировать их. Изучение расположения - это способ понять более сложные конструкции, в то время как изучение увеличения позволяет нам понять математическую структуру телескопов, что мы можем сделать для их улучшения и с какими проблемами мы можем столкнуться.

Схема и структура отражающего телескопа

Идеальный оптический объект, который преломляет весь свет и не отражает никакой его части, называется линзой. Они используются в зрительных очках или в телескопах. Идеальный оптический объект, который отражает весь свет и не преломляет ни одной его доли, называется зеркалом. Смотрите следующую схему вогнутого параболического зеркала.

Вогнутые зеркала - это очень простые устройства, которые могут собирать электромагнитные данные. На изображении электромагнитное излучение, исходящее от астрономических объектов, представлено горизонтальными линиями. Когда они сталкиваются с зеркалом, они отражаются к точке <em>F</em>, называемой фокусом.Причина, по которой мы рассматриваем параболическое зеркало, заключается в том, что оно может отражать все входящие параллельные лучи в одну и ту же точку. Интуитивно мы можем видеть, что это устройство берет информацию из области пространства и концентрирует ее в небольшой области, что позволяет нам увеличивать изображения с высоким разрешением.Когда они сталкиваются с зеркалом, они отражаются к точке F, называемой фокусом.

Причина, по которой мы рассматриваем параболическое зеркало, заключается в том, что оно может отражать все входящие параллельные лучи в одну и ту же точку. Интуитивно мы можем видеть, что это устройство берет информацию из области пространства и концентрирует ее в небольшой области, что позволяет нам увеличивать изображения с высоким разрешением.

Функционирование этих телескопов основано на сборе электромагнитного излучения вогнутым параболическим зеркалом (основным зеркалом) и размещении выпуклого зеркала (вторичного зеркала) перед фокусом основного зеркала. Это последнее зеркало еще раз отражает свет и фокусирует его на глазу наблюдателя или устройстве, которое может обрабатывать входящий сигнал.

Увеличение отражающих телескопов

Увеличение - это величина увеличения изображения объекта относительно размера объекта после обработки оптической системой, такой как телескоп.

Способность телескопа собирать свет определяется площадью зеркала. В современных отражающих телескопах используются первичные зеркала диаметром до 10 метров. Диаметр основного зеркала определяет, сколько электромагнитного излучения может собрать телескоп, но он не определяет мощность увеличения телескопа.

Вывод мощности увеличения отражающего телескопа здесь не рассматривается, но он основан на тех же законах, которые описаны в объяснении для астрономических телескопов.

Однако следует отметить, что увеличение отражающего телескопа определяется следующим уравнением:

M=fp/fs

Здесь fp и fs - фокусные расстояния основного и вторичного зеркал соответственно. Фокусное расстояние - это характерное количество линз и зеркал, которое определяется точкой, к которой отклоняются лучи света.
Например, для параболических вогнутых зеркал это расстояние между центром зеркала и точкой, в которой сходятся все лучи.

Это говорит о том, что наилучшие отражающие телескопы достигаются при использовании основного зеркала с большим фокусным расстоянием и вторичного зеркала с малым фокусным расстоянием. Смотрите пример ниже для простого доказательства.

Рассмотрим основное зеркало диаметром 5 метров, которое мы уже смонтировали для использования в качестве части отражающего телескопа Кассегрена. Фокусное расстояние этого зеркала составляет 10 метров. Нам даны три зеркала, которые будут действовать как вторичные зеркала, характеристики которых следующие:

Зеркало диаметром 5 см и фокусным расстоянием 5 см.
Зеркало диаметром 5 см и фокусным расстоянием 1 см.
Зеркало диаметром 5 м и фокусным расстоянием 1 мм.

Какое зеркало лучше всего использовать в качестве вторичного зеркала и построить отражающий телескоп?

Глядя на увеличение, мы получаем следующие результаты:

1. M=10m/0.05m=200
2. M=10m/0.01m=1000
3. M=10m/0.001m=10000

Это означает, что объекты кажутся в 200, 1000 и 10000 раз больше с каждым из этих зеркал. Хотя логичным выбором кажется третье зеркало, мы должны учитывать, что оно имеет очень большой диаметр, который мешает нам получать свет должным образом (представьте это с помощью рисунка 2). Таким образом, лучшим выбором является второе зеркало. Обычно, однако, мы рассматриваем небольшие вторичные зеркала, блокировка света которых практически не имеет значения.

Сравнение отражающих и преломляющих телескопов

Телескопы, используемые в астрономических обсерваториях, в основном являются отражающими телескопами, потому что они лучше подходят для этой задачи. Давайте рассмотрим, почему это так и как лучше всего использовать как отражающие, так и преломляющие телескопы.

Преломляющие телескопы

Основные недостатки преломляющих телескопов связаны с тем, как изготавливаются линзы и как с ними обращаться. В то время как с зеркалом можно легко обращаться с помощью устройства, расположенного за ним, линзы можно удерживать только за их края (чтобы не создавать помех преломленному свету). Это причина, по которой линзы нельзя делать произвольно большими. Линзы также являются очень плотными объектами (особенно если их фокусное расстояние должно быть большим), что делает их очень тяжелыми. Все эти факторы делают преломляющие телескопы непригодными для научных целей.

Давайте теперь рассмотрим оптические аберрации.

Оптическая аберрация - это свойство оптической системы, которое заставляет проходящий через нее свет распространяться, а не фокусироваться на точке.

Другими словами, аберрации - это недостатки оптических систем. Они вызваны не дефектами при изготовлении устройств, а скорее из-за их физических условий. Для преломляющих телескопов мы обнаруживаем два вида аберраций:

Хроматическая аберрация: это аномальное распределение цвета после преломления, поскольку цвета имеют несколько разные показатели преломления. Это искажает изображения, поскольку ‘размазывает их цвет’.

Сферическая аберрация: это аномальное распространение световых лучей, вызванное тем фактом, что линзы не идеальны и, следовательно, не направляют параллельные лучи света в одну и ту же точку.

Отражающие телескопы

Отражающие телескопы имеют несколько преимуществ из-за свойств зеркал. Во-первых, зеркала намного проще изготавливать и обрабатывать. Их можно без проблем удерживать сзади, их можно сделать очень тонкими, а современные технологии позволяют нам использовать несколько зеркал и составлять изображения и информацию с их помощью (сегментированные зеркала). Зеркала также не страдают от хроматической аберрации, поскольку (в идеале) преломления нет, только отражение. А использование параболических зеркал позволяет нам также иметь дело со сферической аберрацией.

Хотя зеркала никогда не бывают идеальными, и все еще существуют небольшие эффекты аберрации из-за некоторой рефракции и аберраций в окуляре и вторичном зеркале, отражающие телескопы имеют больше преимуществ, чем преломляющие телескопы для научных целей. Однако стоит упомянуть, что многие оптические телескопы, используемые в любительской астрономии, являются преломляющими телескопами, потому что они дешевле и могут работать очень хорошо.

Отражающие телескопы - основные выводы

Телескопы собирают электромагнитное излучение, поступающее из разных частей Вселенной. Они обычно обрабатывают это излучение с помощью преломления и отражения.

В отражающих телескопах используются зеркала, в то время как в преломляющих телескопах используются линзы.

Обычной моделью отражающего телескопа является телескоп Кассегрена, в котором используются два зеркала. Один собирает электромагнитное излучение, а другой перенаправляет его. Соотношение их фокусных расстояний определяет мощность увеличения отражающего телескопа.

В целом, отражающие телескопы имеют больше преимуществ, чем преломляющие телескопы, что делает их более подходящими для научных целей.