Рефлектор Кассегрена

Рефлектор Кассегрена представляет собой комбинацию первичного вогнутого зеркала и вторичного выпуклого зеркала , часто используемую в оптических телескопах и радиоантеннах , его главная характеристика заключается в том, что оптический путь сворачивается сам по себе относительно входной апертуры первичного зеркала оптической системы. Такая конструкция помещает фокусную точку в удобное место позади первичного зеркала , а выпуклое вторичное зеркало добавляет эффект телефото , создавая гораздо большее фокусное расстояние в механически короткой системе. ^[1]

В симметричном Кассегрене оба зеркала выровнены относительно оптической оси , а главное зеркало обычно содержит отверстие в центре, что позволяет свету достигать окуляра , камеры или датчика изображения . В качестве альтернативы, как и во многих радиотелескопах, конечный фокус может находиться перед главным. В асимметричном Кассегрене зеркало(а) могут быть наклонены, чтобы избежать затенения главного или избежать необходимости в отверстии в главном зеркале (или и то, и другое).

Классическая конфигурация Кассегрена использует параболический отражатель в качестве первичного, а вторичное зеркало — гиперболическое . ^[2] Современные варианты могут иметь гиперболическое первичное зеркало для повышения производительности (например, конструкция Ричи-Кретьена ); и одно или оба зеркала могут быть сферическими или эллиптическими для простоты изготовления.

Рефлектор Кассегрена назван в честь опубликованной конструкции телескопа-рефлектора , которая появилась в Journal des sçavans от 25 апреля 1672 года и приписывается Лорану Кассегрену . ^[3] Похожие конструкции с использованием выпуклых вторичных зеркал были обнаружены в трудах Бонавентуры Кавальери 1632 года, описывающих зажигательные зеркала ^{[4] [5]} , и в трудах Марина Мерсенна 1636 года, описывающих конструкции телескопов. ^{[6] Попытки} Джеймса Грегори 1662 года создать телескоп-рефлектор включали конфигурацию Кассегрена, судя по выпуклому вторичному зеркалу, найденному среди его экспериментов. ^[7]

Схема Кассегрена также используется в катадиоптрических системах .

«Классический» Кассегрен имеет параболическое первичное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, которое отражает свет обратно вниз через отверстие в первичном. Складывание оптики делает эту конструкцию компактной. На небольших телескопах и объективах камер вторичное зеркало часто устанавливается на оптически плоской, оптически прозрачной стеклянной пластине, которая закрывает трубу телескопа. Эта поддержка устраняет «звездообразные» дифракционные эффекты, вызванные прямым лопастным пауком поддержки. Закрытая труба остается чистой, а первичное зеркало защищено, за счет некоторой потери мощности сбора света.

Он использует особые свойства параболических и гиперболических отражателей. Вогнутый параболический отражатель будет отражать все входящие световые лучи параллельно его оси симметрии в одну точку — фокус. Выпуклый гиперболический отражатель имеет два фокуса и будет отражать все световые лучи, направленные в один из его двух фокусов, в направлении его другого фокуса. Зеркала в этом типе телескопа спроектированы и расположены таким образом, что они разделяют один фокус, и таким образом, что второй фокус гиперболического зеркала будет находиться в той же точке, в которой должно наблюдаться изображение, обычно сразу за окуляром.

В большинстве систем Кассегрена вторичное зеркало блокирует центральную часть апертуры. Эта кольцевая входная апертура значительно уменьшает часть функции передачи модуляции (MTF) в диапазоне низких пространственных частот по сравнению с конструкцией с полной апертурой, такой как рефрактор или смещенный Кассегрен. ^[8] Эта выемка MTF имеет эффект снижения контрастности изображения при визуализации широких объектов. Кроме того, поддержка вторичного зеркала (паука) может вносить дифракционные пики в изображения.

Радиусы кривизны первичного и вторичного зеркал, соответственно, в классической конфигурации равны

${\displaystyle R_{1}=-{\frac {2DF}{FB}}=-{\frac {2F}{M}}}$

и

${\displaystyle R_{2}=-{\frac {2DB}{FBD}}=-{\frac {2B}{M-1}}}$

где

• ${\displaystyle F}$- эффективное фокусное расстояние системы,
• ${\displaystyle Б}$- заднее фокусное расстояние (расстояние от вторичного зеркала до фокуса),
• ${\displaystyle D}$это расстояние между двумя зеркалами и
• ${\displaystyle М=(ФБ)/Д}$вторичное увеличение.

Если вместо и известными величинами являются фокусное расстояние главного зеркала, , и расстояние до фокуса за главным зеркалом, , то и .${\displaystyle Б}$${\displaystyle D}$${\displaystyle f_{1}}$${\displaystyle б}$${\displaystyle D=f_{1}(F-b)/(F+f_{1})}$${\displaystyle B=D+b}$

Коническая константа главного зеркала — это константа параболы, . Благодаря этому сферическая аберрация , вносимая главным зеркалом, отсутствует . Однако вторичное зеркало имеет гиперболическую форму, один фокус которого совпадает с фокусом главного зеркала, а другой находится на заднем фокусном расстоянии . Таким образом, классический Кассегрен имеет идеальный фокус для главного луча (диаграмма центрального пятна — одна точка). Мы имеем,${\displaystyle K_{1}=-1}$${\displaystyle B}$

${\displaystyle K_{2}=-1-\alpha -{\sqrt {\alpha (\alpha +2)}}}$,

где

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{2}}\left[{\frac {4DBM}{(F+BM-DM)(F-B-D)}}\right]^{2}}$.

На самом деле, поскольку конические константы не должны зависеть от масштабирования, формулы для обоих и могут быть значительно упрощены и представлены только как функции вторичного увеличения. Наконец,${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle K_{2}}$

${\displaystyle \alpha ={\frac {8M^{2}}{(M^{2}-1)^{2}}}}$

и

${\displaystyle K_{2}=-1-{\frac {4M}{(M-1)^{2}}}=-\left({\frac {M+1}{M-1}}\right)^{2}}$.

Ричи-Кретьен — это специализированный рефлектор Кассегрена, который имеет два гиперболических зеркала (вместо параболического первичного). Он свободен от комы и сферической аберрации в плоской фокальной плоскости, что делает его хорошо подходящим для широкоугольных и фотографических наблюдений. Он был изобретен Джорджем Уиллисом Ричи и Анри Кретьеном в начале 1910-х годов. Эта конструкция очень распространена в больших профессиональных исследовательских телескопах, включая космический телескоп Хаббл , телескопы Кека и Очень Большой Телескоп (VLT); он также встречается в высококачественных любительских телескопах.

Конструкция телескопа Dall-Kirkham Cassegrain была создана Хорасом Даллом в 1928 году и получила свое название в статье, опубликованной в Scientific American в 1930 году после дискуссии между астрономом-любителем Алланом Киркхэмом и Альбертом Г. Ингаллсом, редактором журнала по астрономии в то время. В нем используется вогнутое эллиптическое первичное зеркало и выпуклое сферическое вторичное. Хотя эту систему легче полировать, чем классическую систему Кассегрена или Ричи-Кретьена, внеосевая кома значительно хуже, поэтому изображение быстро ухудшается вне оси. Поскольку это менее заметно при более длинных фокусных отношениях , телескопы Dall-Kirkham редко бывают быстрее f/15.

Необычным вариантом Кассегрена является телескоп Шифшпиглера («скошенный» или «косой рефлектор»; также известный как «телескоп Куттера» по имени его изобретателя Антона Куттера ^[9] ), который использует наклонные зеркала, чтобы избежать отбрасывания тени вторичным зеркалом на первичное. Однако, устраняя дифракционные картины, это приводит к нескольким другим аберрациям, которые необходимо исправить.

Для радиоантенн используются несколько различных внеосевых конфигураций. ^[10]

Другой внеосевой, беспрепятственный дизайн и вариант Кассегрена - это рефлектор " Yolo ", изобретенный Артуром Леонардом. В этой конструкции используется сферический или параболический первичный и механически деформированный сферический вторичный для коррекции внеосевого индуцированного астигматизма. При правильной настройке Yolo может давать бескомпромиссные беспрепятственные виды планетарных объектов и нешироких целей, без недостатка контраста или качества изображения, вызванного сферической аберрацией. Отсутствие преград также устраняет дифракцию, связанную с астрофотографией с рефлектором Кассегрена и Ньютона.

Катадиоптрические кассегреновые объективы используют два зеркала, часто со сферическим главным зеркалом для снижения стоимости, в сочетании с рефракционным корректором(ами) для исправления возникающих аберраций.

Камера Шмидта-Кассегрена была разработана на основе широкоугольной камеры Шмидта , хотя конфигурация Кассегрена обеспечивает ей гораздо более узкое поле зрения. Первым оптическим элементом является пластина корректора Шмидта . Пластина формируется путем размещения вакуума с одной стороны и шлифования точной коррекции, необходимой для исправления сферической аберрации, вызванной сферическим главным зеркалом. Камеры Шмидта-Кассегрена популярны среди астрономов-любителей. Ранняя камера Шмидта-Кассегрена была запатентована в 1946 году художником/архитектором/физиком Роджером Хейвордом ^[11] с держателем пленки, размещенным снаружи телескопа.

Максутов-Кассегрен — это разновидность телескопа Максутова, названного в честь советского / украинского оптика и астронома Дмитрия Дмитриевича Максутова . Он начинается с оптически прозрачной корректирующей линзы, которая представляет собой секцию полой сферы. Он имеет сферическое главное зеркало и сферическое вторичное зеркало, которое обычно является зеркальной секцией корректирующей линзы.

В телескопе Аргунова-Кассегрена вся оптика сферическая, а классическое вторичное зеркало Кассегрена заменено субапертурным корректором, состоящим из трех линзовых элементов, расположенных на воздушном расстоянии. Элемент, наиболее удаленный от главного зеркала, — зеркало Манжена , которое выполняет функцию вторичного зеркала.

В окуляре Клевцова-Кассегрена, как и в окуляре Аргунова-Кассегрена, используется субапертурный корректор, состоящий из небольшой менисковой линзы и зеркала Манжена в качестве «вторичного зеркала». ^[12]

Конструкции Кассегрена также используются в антеннах наземных станций спутниковой связи и радиотелескопах размером от 2,4 до 70 метров. Расположенный в центре субрефлектор служит для фокусировки радиочастотных сигналов аналогично оптическим телескопам.

Примером радиоантенны Кассегрена является 70-метровая тарелка в антенном комплексе Голдстоун JPL . Для этой антенны конечный фокус находится перед первичной антенной, на вершине выступающего из зеркала пьедестала.

• Катадиоптрическая система
• Целестрон (Шмидт-Кассегрен, Максутов Кассегрэн)
• Список типов телескопов
• Meade Instruments (Шмидт-Кассегрен, Максутов Кассегрэн)
• Questar (Максутов Кассегрен)
• Рефракторный телескоп
• Виксен (Кассегрен, Клевцов–Кассегрен)

• Медиа, связанные с телескопами Кассегрена на Wikimedia Commons
• Моделирование антенн-рефлекторов Кассегрена в MATLAB на Wayback Machine (архивировано 3 марта 2024 г.)