Все о космосе

Космос. Астрономия. Вселенная. Наука

Leaf
Главная
Новости
FAQ по Астрономии
Астрословарь
Древняя астрономия
Современные теории
Метагалактика
Солнечная система
Статьи о космосе
Космонавтика
Галерея астрофото
Популярно о космосе
Карта сайта
Поиск
Обратная связь
Партнеры

Астрономия


Leaf Главная arrow Блог материалов



Аберрации центрированных оптических систем
Современные теории о космосе и жизни

Положение, на которое опирается один из законов оптики параксиальных лучей, а именно: равенство нулю или, точнее, бесконечно малым величинам углов, образуемых лучами с нормалями к преломляющим и отражающим поверхностям и с осью оптической системы, в реальных системах не осуществляется. Лучи, исходящие из точки в пространстве предметов, после прохождения через оптическую систему не пересекаются в точке, а образуют некоторую фигуру рассеяния. Изображения линий перестают представлять собой линии, а изображения предметов не резки и не подобны предметам. Задача вычислителя оптических систем состоит в том, чтобы довести величину кружков рассеяния, вызываемых аберрациями оптических систем, до таких величин, которые делали бы их незаметными для наблюдателя.

Сферическая аберрация при отсутствии других аберраций вызывает появление круглого ореола вокруг изображения точки с быстро уменьшающейся к краям яркостью. Она усиливает дифракционные кольца, которые при ее отсутствии оставались бы незаметными. Все эти явления уменьшают контрастность изображения и разрешающую силу оптической системы, как мы увидим дальше. Сферическая аберрация не зависит от угла поля w и поэтому постоянна по всему полю. В частности, она наблюдается и на оси оптического инструмента и этим отличается от всех остальных аберраций монохроматических лучей, которые в центре поля отсутствуют.

Кома пропорциональна первой степени полевого угла и второй степени апертурных углов. При круглом входном зрачке кома вызывает появление около изображения точки кометообразного хвоста, яркость которого быстро уменьшается от острия к концу хвоста. При изменении знака у коэффициента комы пятно рассеяния не меняет формы, а только направление острия. Кома среди всех аберраций особенно вредна вследствие той асимметрии, которую она создает в изображениях звезд и которая мешает найти точное расположение изображения звезды и приводит к ошибкам при определении координат. Кома в центре поля отсутствует, но так как она пропорциональна первой степени угла поля, то появляется в непосредственной близости от оси, например, в параболических рефлекторах. Особенно она велика в том случае, когда при значительном относительном отверстии ее специально не исправляли.

Зрачки оптических систем
Современные теории о космосе и жизни

Качество оптических систем, как будет показано дальше, их разрешающая сила, поток, выходящий из системы, аберрации, глубина резко изображаемого пространства и т. д. во многом зависят от величины угла, образуемого крайним лучом, проходящим через систему, с осью последней. Этот угол называется апертурным. Определением его величины, т. е. угла поля зрения, а также вопросом виньетирования (диафрагмирования) световых пучков занимается теория так называемых зрачков оптических систем.

Световые пучки, проходящие через оптические системы, ограничиваются либо оправами линз или зеркал, либо специальными диафрагмами постоянного или переменного диаметра, как это бывает, например, в фотографических объективах. Та из оправ или диафрагм, которая ограничивает световой пучок, исходящий из точки предмета, находящейся на оси системы (а в случае бесконечно удаленных точек следует рассматривать пучок лучей, падающих параллельно оси системы), называется действующей, или апертурной диафрагмой. Чаще всего в астрономических приборах действующей диафрагмой является оправа первой линзы или зеркала. В этом случае эта оправа служит так называемым входным зрачком. В общем же случае входным зрачком называется изображение действующей диафрагмы всеми линзами или другими оптическими деталями (зеркалами, призмами), находящимися впереди. Таким образом, входной зрачок играет роль действительного или мнимого отверстия (диафрагмы), ограничивающего апертуру падающего ла оптическую систему пучка.

Относительным отверстием объектива называют отношение диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Можно показать, что половина относительного отверстия в хорошо исправленных оптических системах как раз равна синусу апертурного угла в пространстве изображений, даваемых объективом, если только предмет находится на бесконечности.

Одной из самых существенных характеристик оптических систем является их линейное, или угловое, поле зрения. Для астрономических систем важно поле зрения, определяемое тем углом, внутри которого любой небесный объект изображается с достаточной резкостью, без заметного уменьшения интенсивности светового пучка по сравнению с интенсивностью его на оптической оси системы. Угол поля зрения зависит, с одной стороны, от размеров и взаимного расположения зрачков оптической системы, т. е. размеров линз и зеркал, и с другой стороны — от исправления аберраций наклонных пучков.

Законы параксиальной оптики
Современные теории о космосе и жизни

Все свойства оптических систем, относящиеся к воспроизведению изображений, являются следствием этих законов. Подавляющее большинство оптических систем обладает осью симметрии. Околоосевая область, окружающая ось симметрии в непосредственной близости от нее, называется параксиальной. Для этой области можно считать, что лучи образуют с осью и с нормалями к преломляющим или отражающим поверхностям бесконечно малые углы. Определение   изображений   бесконечно   малых   предметов производится с большой простотой, потому что в этой области любая точка изображается строго в виде точки и отсутствуют аберрации. Следует, однако, помнить, что здесь рассматриваются только бесконечно малые предметы, расположенные бесконечно близко к оси. Такими бесконечно малыми являются зрачки и апертуры пучков: весь этот параксиальный мир, в сущности, является лишь предельным, не имеющим реального значения, точно так же, как геометрическая оптика является предельным случаем по отношению к более общей физической оптике и получается из нее переходом к бесконечно малым длинам волн.

Определение положения изображений точек, образуемых центрированными оптическими cистeмами, т. е. системами, центры поверхностей которых лежат на одной оси, производится с помощью простых построений, вытекающих из свойств этих систем. Основные свойства сформулированы ниже.

Всякая  центрированная  оптическая  система обладает четырьмя особыми точками, называемыми кардинальными, с помощью которых легко построить изображение отдельных точек предмета. Этими кардинальными точками служат: два фокуса — передний F, в котором пересекаются лучи, падающие справа на систему параллельно оси, и задний F, в котором пересекаются лучи, падающие аналогично слева,— и две главные точки Н и Н' пересечения с осью двух так называемых главных плоскостей. Эти плоскости обладают тем свойством, что они взаимно сопряжены (т. е. каждая точка, принадлежащая одной из этих плоскостей, изображается на другой) и что каждый отрезок, лежащий в одной из главных плоскостей, изображается на другой отрезком такой же величины и направления, или, говоря короче, главные плоскости взаимно изображают друг друга в натуральную величину.

Развитие геометрической оптики
Современные теории о космосе и жизни

Положение о прямолинейности лучей, законы отражения и преломления (даже в приближенной формулировке, известной еще во времена Птоломея), позволили создать новую науку математического характера, получившую название геометрической оптики. Первые шаги были проложены Кеплером, в «Диоптрике» которого приведены некоторые положения оптики параксиальных лучей (лежащих в непосредственной, близости от оси и не требующих точной формулировки закона преломления) и описаны основные свойства линз, зрительных труб и микроскопов. Декарт, независимо от Снелля открывший точный закон преломления, указал, какую форму должны иметь преломляющие поверхности оптических систем, дал расчет и схему оформления астрономической трубы и микроскопа и даже подробно разработал специальный станок для шлифовки гиперболических поверхностей. Однако он не принимал во внимание явление дисперсии, которое в то время еще не было известно, а также и дифракционные явления. Естественно поэтому, что Декарт переоценивал возможности своих труб и предполагал, что на планетах и звездах можно будет наблюдать такие же предметы, как и на Земле, если только найдется опытный мастер, который сумеет построить трубу достаточно совершенную. Заботясь об удобстве наблюдателя, работающего с помощью астрономической трубы, обладающей необходимым для такой цели увеличением, он, по-видимому, первый предложил применять целый набор искателей с различными увеличениями.

Ньютон, открывший явление дисперсии света, указал на преимущественное значение, которое имеют хроматические аберрации среди всех остальных; в частности, он показал, что плохое качество изображений, даваемых астрономическими трубами, обусловлено хроматической аберрацией, а не сферической, как думал Декарт. Однако построив неправильную теорию, связывающую преломление с дисперсией, он пришел к неверному выводу о невозможности исправления хроматической аберрации в оптических системах, состоящих из линз. Ему принадлежат первые формулы, связывающие положения предмета и его изображения в параксиальной области и приближенное выражение сферической аберрации для сферической преломляющей поверхности. Им описано явление астигматизма тонких пучков.

Русский академик Эйлер в своих «Письмах» доказал (1760 г.) неправильность ньютоновского утверждения о невозможности исправления хроматической аберрации в линзовых системах и показал, как можно рассчитать ахроматический объектив микроскопа. Его коллега и последователь Эпинус изготовил такой объектив в 1784 г. Несколько раньше первые ахроматические объективы астрономических труб были построены Доллондом чисто эмпирическим путем.

В середине XIX столетия была решена полностью задача определения аберраций центрированных систем, а в дальнейшем методика расчета оптических систем стала развиваться на основании теории аберраций. Лишь в XX столетии эта методика постепенно вытеснила грубо эмпирические приемы изготовления оптических систем на основании многочисленных проб.

Но уже ранее было известно, что качество изображения оптической системы не определяется целиком ее аберрациями. Оказалось, что в идеально исправленных системах, например параболических рефлекторах, не удается получить точечных изображений звезд. Причина заключалась в явлениях дифракции. Эри (1834 г.) показал, как должнб выглядеть изображение звезды в идеальном безаберрационном инструменте, если выполнить вычисления согласно принципу Гюйгенса — Френеля. Результаты вычислений совпадают с результатами непосредственных наблюдений и измерений, как показали опыты Фуко для зрительных труб.

Дифракционные явления значительно усложняют изображение наблюдаемых объектов и затрудняют его истолкование. Однако в ряде случаев они сами могут быть использованы в специальных приборах для решений такой задачи, как определение угловых диаметров звезд и малых планет (Майкельсон).

Распространение световой энергии и ее приемники
Статьи о космосе

Как показывает название телескопа (от греч.— наблюдаю вдаль), этот прибор предназначен для рассматривания весьма удаленных предметов. Он «приближает» эти предметы в сотни и тысячи раз. Однако необходимо несколько обобщить и уточнить это определение, относящееся ко временам Галилея и Декарта.

Прежде всего следует отметить, что глаз вовсе не является единственно возможным приемником световой энергии, испускаемой небесными светилами и проходящей через телескоп. Такими приемниками могут быть фотографическая пластинка (щель спектрографа), катод электронного преобразователя, фотоэлемент, болометр, термопара и др. Лучистая энергия, испускаемая светилами, не ограничивается видимым участком спектра. Она может принадлежать к ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра, если только материалы, принятые для изготовления оптических деталей, пропускают или отражают лучи этих частей спектра.

Попадая в телескоп от небесных объектов, лучистая энергия подвергается в нем сложному процессу перераспределения, после чего поступает в приемник — глаз, фоточувствительный слой пластинки или другое принимающее устройство — в измененном виде. Основное изменение заключается в том, что на приемнике создается «изображение» предмета, увеличенное во много раз и, кроме того, более или менее искаженное по сравнению с ним. Подобие между рассматриваемым в телескоп объектом и его изображением тем хуже, чем меньше угловой размер наблюдаемого предмета. Например, изображения звезд, представляющихся невооруженному глазу точками, видны через астрономические объективы, по крайней мере теоретически, в виде ярких пятен, окруженных кольцами; на практике эта картина еще больше искажается дефектами изготовления системы и атмосферными помехами. Когда в трубу рассматривают большие предметы — Солнце, Луну, звездные кучи, туманности, эти искажения, как правило, мало заметны, до тех пор, пока наблюдатель ограничивается обозрением общей картины; но как только он приступает к детальному изучению какого-нибудь малого объекта, они сказываются тем сильнее, чем меньше детали. Создаются своего рода сложные оптические обманы, иногда вводящие в заблуждение астрономов. Например, при прохождении Меркурия через диск Солнца, в момент, когда планета как бы погружается в него, на темном диске Меркурия вследствие дифракции появляется яркая точка, производящая впечатление вулкана. В картине получивших широкую известность «каналов» на Марсе большую роль, несомненно, сыграли диффракционные явления. По-видимому, ими объясняется «раздвоение» каналов, наблюдавшееся и описанное известным астрономом Скиапарелли в 1882 г.

Отступление от подобия между изображением и предметом вызывается различными причинами: дифракцией света, проходящего через оптическую систему, аберрацией последней, несовершенством стекла линз и формы поверхностей, атмосферными помехами, вызванными движением воздушных слоев, отделяющих оптический инструмент от наблюдаемого объекта, и т. д. Если перечисленные явления вообще вредны для любого оптического прибора, то они особенно вредны для астрономических инструментов, к которым предъявляются наиболее высокие требования по сравнению с другими оптическими системами.

Естественно, что развитие астрономической оптики шло по пути преодоления всех указанных препятствий.

Теория изображения в оптических системах, если принимать во внимание и явления дифракции, представляет некоторые трудности, не столько по существу явления, сколько вследствие громоздкости математического аппарата, необходимого для его исследования. Однако и без сложных математических формул, на основании принципов распределения энергии световых волн, нетрудно получить достаточно  ясное  представление о дифракции и о том, как связаны основные свойства оптических   систем, например разрешающая сила, с характеристиками этих систем.

Дифракция и все ее последствия, обнаруживаемые в изображениях предметов, обладающих мелкой структурой, легко объясняются представлениями волновой оптики, высказанными впервые Гюйгенсом в конце XVII столетия и дополненными Френелем (1818 г.). В дальнейшем эти представления развивались, уточнялись, усложнялись, но существенного ничего не добавилось к тому, что было известно раньше.

Всякий источник света излучает энергию, распространяющуюся в виде волн. Всем хорошо известна аналогия с волнами на поверхности воды, вызываемыми падением камня. Но интерес представляют не те явления, которые вызывает изолированный импульс, а картина, поддерживаемая в течение продолжительного времени постоянным источником правильных колебаний. Таким источником может послужить камертон с прикрепленным к одной из его ножек острием, опущенным на поверхность воды.

Вокруг источника распространяются сферические волны. Если на пути распространения волн поставить экран, в котором пробито небольшое отверстие В, то из этого отверстия, как из нового центра, начинают распространяться такие же волны, как те, которые исходят от источника колебаний, но с более слабой амплитудой. Экран с двумя отверстиями  дает начало двум новым системам волн, при встрече которых происходит так называемая интерференция, или наложение волн. В тех местах, где встречающиеся волны имеют противоположные направления движения и гребни одной системы волн совпадают с впадинами другой, поверхность воды остается неподвижной (узлы), а в местах, где совпадают гребни двух систем или впадин, получаются «пучности». В результате интерференции создается особая картина, характерная для волновых процессов.

Дифракцию можно рассматривать как обобщенную интерференцию, при которой все элементы экрана представляют собой отверстия. Конечно, в таком представлении есть что-то парадоксальное: экран, состоящий из сплошных отверстий, является уже не экраном, а сплошной волной.

Однако этот принцип наложения элементарных волн является совершенно естественным дополнением к волновой теории Гюйгенса. Он был сформулирован Френелем и придал волновой теории силу, которой она была лишена без него. Это добавление Френеля позволило вести точные расчеты распределения интенсивности световой энергии при любой форме поверхности волны и любых ее границах. Гюйгенс сам не обратил внимания на указанное свойство волновой теории, он слишком мало знал о только что открытом явлении дифракции. Даже о более простой интерференции в то время не подозревали, и лишь Эйлер в 1746,г. впервые создал представление «о световом луче как своего рода конической струне, по которой распространяются продольные световые колебания». Отсюда вытекает возможность и необходимость интерференции.

<< Первая < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 След. > Последняя >>

Всего 26 - 30 из 1186