Главное зеркало телескопа: сферическое или параболическое?
В этой статье мы поговорим с вами о рефлекторе Ньютона – телескопе, объективом которого является зеркало. Как вы знаете, в классическом рефракторе, изобретенном еще в далеком 1609 году Галилео Галилеем, для формирования изображения используется система линз. Это не самая совершенная схема: каждая линза дает определенное количество хроматических и сферических аберраций, что в конечном итоге сильно искажает финальное изображение. И даже сейчас, по прошествии более 400 лет, эта «болезнь» рефракторов все еще не побеждена окончательно. Однако в 1668 году Исаак Ньютон предпринял попытку справиться с проблемой оптических искажений на большом увеличении и придумал телескоп с объективом в виде зеркала. Попытка оказалась успешной, и теперь мы можем изучать космос в телескопы, названные его именем: рефлекторы Ньютона.
Разницу между рефракторами и рефлекторами обычно знают даже начинающие исследователи космоса. Однако далеко не все любители астрономии в курсе того, что главное зеркало телескопа может быть разным – сферическим или параболическим. В технических характеристиках рефлекторов редко указывают этот параметр, хотя он невероятно важен и напрямую влияет и на стоимость оптического прибора, и на качество получаемого изображения. Поэтому если вы увидите в магазине два практически идентичных рефлектора Ньютона с одинаковыми техническими характеристиками, но сильно различающиеся по цене, спросите консультанта про форму зеркала. Уверены, что в более дешевом телескопе будет установлено сферическое зеркало, телескоп с параболическим зеркалом обычно более дорог в производстве.
Почему стоит выбрать телескоп с параболическим зеркалом?
Разница между сферическим и параболическим зеркалами не только в их форме. Они отличаются тем, как именно фокусируют свет. Конструкция сферического зеркала такова, что оно не может отразить все лучи в одну точку. Из-за этого для рефлекторов со сферической оптикой недостижим идеально резкий фокус. Это явление носит название «сферической аберрации» и проявляется сильнее всего на высоких увеличениях. Поэтому сферическое зеркало для телескопа – не лучший выбор. На мощной оптике вы не сможете наблюдать четкую и резкую картинку просто в силу конструктивных особенностей телескопа.
Параболическое зеркало не подвержено сферическим аберрациям и способно собирать световые лучи в одну точку. На большой кратности у вас не возникнет никаких проблем с фокусировкой, и удаленный объект будет виден четко и во всех деталях. Поэтому если стоимость параболического рефлектора Ньютона вас не пугает, рекомендуем приобретать именно его. Вы будете довольны результатом!
Но не все так плохо и со сферическими зеркалами. При определенном соотношении между диаметром зеркала и фокусным расстоянием такое зеркало работает практически как параболическое. Телескоп с зеркалом диаметром 114 мм и фокусным расстоянием в 900 мм практически лишен сферических аберраций и хорошо фокусирует изображение вплоть до значения максимально полезного увеличения.
Если вам нужна развернутая консультация по рефлекторам Ньютона, обращайтесь к менеджерам нашего интернет-магазина. Они с радостью помогут выбрать телескоп, подходящий вам и по оптическим возможностям, и по цене. Связаться с менеджерами можно по телефону или через форму обратной связи.
4glaza.ru
Декабрь 2017
Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru.
Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.
Другие обзоры и статьи о телескопах и астрономии:
Обзоры оптической техники и аксессуаров:
Статьи о телескопах. Как выбрать, настроить и провести первые наблюдения:
Все об основах астрономии и «космических» объектах:
Mir Z naet.ru
Что такое зеркало?
Зеркало представляет собой гладкую и полированную поверхность, способную отражать лучи света. В зависимости от формы поверхности оно может быть плоским или изогнутым (сферические, параболические, и т.д.).
Древние зеркала были просто полированными металлическими листами. В 1857 году Ж. Фуко ввел метод металлизации стекла, состоящий в покрытии одной из граней стеклянной пластины серебряным покрытием.
Cвойства параболического зеркала
Рассмотрим параболическое зеркало с вогнутой отражающей стороной. Мы можем выделить в нем следующие элементы:
Оптическая ось: является осью симметрии поверхности.
Фокус: точка, в которой пересекаются все лучи, приходящие параллельно оптической оси.
Параболическое зеркало имеет ту особенность, что все лучи, приходящие параллельно оптической оси, отражаются, проходя через фокус. Это свойство используется, например, в изготовлении параболических антенн, солнечных печей и т.д.
Точно так же все лучи, проходящие через фокус отражаются в зеркале, выходя параллельно оси. Это свойство можно наблюдать в фарах автомобиля; лампа в них устанавливается в фокусе таким образом, что при выходе лучей света, параллельных оси, свет концентрируется по направлению дороги.
Такое поведение обнаруживают только параболические зеркала, хотя также можно считать, что так ведут себя сферические зеркала при соответствии их небольшой сферической части. В самом деле, на протяжении всей истории подавляющее большинство изготавливавшихся зеркал были сферическими, так как сделать их гораздо легче.
Как выглядят предметы в параболическом зеркале?
Лучи света от точки, после отражения в зеркале, снова сходятся в другой точке, называемой точкой изображения. Изображение может быть реальным или мнимым; первое формируется при схождении отраженных лучей и может собираться на экране; мнимое изображение формируется от продления отраженных лучей и не может проецироваться на экране.
Для графического изображения образа предмета, помещенного перед зеркалом, пойдем простым путем: вычертим три луча с известной нам траекторией:
Луч 1: проводится от верхней части предмета и вычерчивается параллельно оси, а при отражении проходит через фокус.
Луч 2: проводится от верхней части предмета и направлен к центру кривизны, при отражении же проходит в том же направлении.
Луч 3: проводится от верхней части предмета и направлен к фокусу, а, отражаясь, уходит параллельно оси.
В зависимости от расстояния между предметом и зеркалом изображение отличается. Рассмотрим наблюдателя, находящегося в разных положениях:
Наблюдатель находится позади центра кривизны. Изображение реально, перевернуто и меньше его
Когда наблюдатель находится прямо по центру кривизны, его изображение видится в реальном размере, но перевернутым.
Когда наблюдатель находится между центром кривизны и фокусом, его изображение, мнимое и перевернутое, имеет больший размер чем он, и увеличивается, пока наблюдатель не окажется в фокусе. В фокусе лучи не сходятся, остаются параллельными до бесконечности; наблюдатель увидит размытое и неузнаваемое изображение, которое заполнит все зеркало.
Изображение становится мнимым и видится правосторонним и увеличенным, когда наблюдатель подходит к зеркалу.
Выпуклые зеркала
Наблюдая конструкцию, подобную вогнутым зеркалам, заметим, что в выпуклом зеркале изображение всегда мнимо, правосторонне и меньше предмета, независимо от положения, в котором мы находимся.
Такого типа зеркала часто используются в качестве зеркал заднего вида на автомобилях и мотоциклах, потому что они обеспечивают более широкое поле зрения, но мы должны учитывать, что наш мозг интерпретирует предметы находящимися дальше, чем они есть на самом деле.
Большие выпуклые зеркала также размещаются в углах некоторых перекрестков с плохой видимостью или в некоторых магазинах для наблюдения за ворами.
Выпуклое зеркало, помещенное в углу для упрощения движения автотранспорта
Очень простой способ экспериментирования с такого типа зеркалом – использование шара на рождественской елке, имеющего исключительно полированную поверхность, или кастрюлю. Обратите внимание, что с любой стороны осмотра, даже если перемещать сферу или двигаться самому, вы всегда увидите свое отражение.
Дополнительную информацию см. в:
Параболическое зеркало
Оглавление
Свойство фокуса параболических поверхностей
Перпендикуляр PG треугольника PQF является касательной к параболе в точке P. Он образует тот же угол с лучом PF и падающим перпендикулярно лучом, поэтому он отражает последний в направлении F, точки фокусировки.
Вращаясь вокруг своей оси симметрии, парабола становится параболоидом вращения, отражающей поверхностью параболического зеркала.
Приложения
Параболические зеркала используются как для приема (например, спутниковый прием, отражающие телескопы) волн с определенного направления, так и для передачи (например, направленное радио, радар) волн в определенном направлении. Часто для приема и передачи используется одно и то же параболическое зеркало ( мультиплексирование с временным разделением ).
В фарах радиальные световые лучи точечного источника света отражаются параболическими зеркалами таким образом, что большинство лучей выходят почти параллельно.
Радар и радиоволны
В радиоастрономии используются очень большие параболические зеркала из металла, похожие на зеркала в радиолокационных устройствах.
Приемные антенны для спутникового телевидения также являются параболическими антеннами.
В сводах типа «шепот» стены имеют почти параболическую форму. Таким образом, даже тихие шумы в фокусе передаются на большие расстояния без больших потерь.
Как сделать параболическое зеркало своими руками
Дата публикации: 13 сентября 2019
Маленькое зеркало из дамской косметички, отражающее поток солнечных лучей, способно с легкостью зажечь пучок сухой травы в ясный день. Эта нехитрая забава известна многим поколениям граждан, проводившим на улице дни летних каникул с утра и до позднего вечера. А что будет, если увеличить площадь зеркала? Несложно догадаться, что в этом случае количество пойманной и отраженной солнечной энергии резко увеличится. И было бы обидно не найти ей достойное применение, тем более что цены на тепло сегодня растут в геометрической прогрессии.
Пытливые умы, знающие физику, быстро догадались сконструировать солнечную печь. Ее первые модели легко подогревали пищу и кипятили воду, но с более сложными задачами справиться не могли. Выходом стала сборка так называемого параболического рефлектора с зеркальной внутренней поверхностью. Солнечный свет, отраженный от изогнутой поверхности и сконцентрированный в одной точке, давал до 1 кВт энергии, причем совершенно бесплатной. Дело оставалось за малым – разместить в точке совпадения лучей емкость для приготовления пищи и следить, чтобы поверхность параболы всегда смотрела прямо на солнце. Минимум затрат и высокая эффективность – неплохо, когда речь идет о дачном или походном быте.
Быстро оценив возможности и перспективы параболических зеркальных систем, ученые сумели задействовать их в масштабных технологических процессах. Сегодня модели диаметром около 50 м успешно используют для обработки тугоплавких материалов, затраты на переработку которых в промышленных условиях целиком поглотили бы ожидаемую прибыль на много лет вперед. Огромные зеркальные конструкции, установленные в высокогорных районах Европы и Америки, дают до 1200 Вт бесплатной тепловой энергии, а температура в точке схождения лучей достигает 3000° С, одновременно расплавляя несколько сот килограммов металлических соединений. Быстро, экономически эффективно и бесплатно – именно так действует параболическое зеркало, превращая убийственную энергию раскаленного светила в полезное и бесплатное тепло.
Параболическое зеркало своими руками: немного теоретической подготовки
Внешне параболическое зеркало напоминает спутниковую тарелку, внутренняя поверхность которой изготовлена из фрагментов зеркал. Попадающий на нее солнечный свет полностью отражается. При этом угол падения равен углу отражения, поэтому отраженный поток света концентрируется в одной точке на небольшом расстоянии от конструкции. Несложные расчеты, касающиеся диаметра и угла наклона стенок зеркала, позволяют увеличить температуру в месте схождения лучей до 2000° С. Этого вполне достаточно, чтобы приготовить вкусное и ароматное мясное блюдо на несколько человек в небольшой металлической кастрюле.
Ложка дегтя в огромной бочке меда от солнечной печи – проблема сборки зеркальной поверхности. Отдельные фрагменты здесь неприемлемы: их будет непросто разместить под одинаковым углом на выпуклой емкости конструкции. А многочисленные швы и стыки ослабляют отраженный солнечный поток, что дает уменьшение объема полученной тепловой энергии. При конструировании сборных параболических зеркал значительных размеров такой проблемы не возникает, т.к. на большой поверхности работать проще. А вот при попытке создать небольшую модель приходится либо собирать тарелку из отдельных зеркальных фрагментов, либо использовать вакуумную технологию наклеивания отражающей пленки.
Последовательность изготовления параболического зеркала своими руками
Прежде чем конструировать модель промышленных размеров, лучше потренироваться, сделав своими руками параболическое зеркало небольшого диаметра. При минимуме затрат вы получите пользу в виде действующей конструкции и отработки возможных ошибок.
Конструкция компактного параболического зеркала готова. Остается аккуратно снять насос и заделать отверстие под золотник. Испытать изделие можно в ближайший солнечный день, разместив небольшую металлическую емкость с холодной водой в расчетной точке концентрации солнечного света. Следите, чтобы параболическое зеркало было направлено на светило – это ускорит процесс кипячения. И не забывайте о технике безопасности, своевременно убрав от полезной конструкции легкоплавкие предметы и воспламеняющиеся жидкости.
Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.
Внеосевые параболические зеркала Thorlabs
Отражение коллимированных пучков
Параболические зеркала (рис. 1) фокусируют все лучи падающего коллимированного пучка в дифракционно ограниченное пятно. Напротив, вогнутые сферические зеркала (рис. 2) обладают свойством концентрировать падающий свет в объем (т. н. фокальный объем). Фокальный объем сферического зеркала можно уменьшить, уменьшив диаметр входящего коллимированного пучка.
Рисунок 1. Параболические зеркала имеют единую точку фокусировки всех лучей в коллимированном пучке
Рисунок 2. Сферические зеркала не отражают все лучи коллимированного пучка через одну точку. Пересечения отраженных лучей обозначены точками
Коллимация пучка
Параболическое или сферическое зеркало?
На выбор влияют диаметр пучка, с которым предстоит работать, требования к производительности приложения, и, конечно, бюджет. Стоит отметить, что характеристики параболического и сферического зеркал становятся почти эквивалентными при малых диаметрах падающего пучка излучения. Параболические зеркала дороже, так как их отражающие профили труднее изготовить, они имеют большие габариты по сравнению со сферическими зеркалами.
Внеосевые параболические зеркала
Рисунок 3. Фокус осевого параболического зеркала расположен близко к отражающей поверхности, что часто становится причиной затруднений
Рисунок 4. Внеосевое параболическое зеркало можно представить как увеличенный сегмент параболического зеркала. Оба зеркала будут иметь равные фокальные расстояния
Как симметричные параболические, так и внеосевые параболические зеркала имеют одну точку фокусировки. Преимущество внеосевого параболического зеркала перед осевым состоит главным образом в том, что поверхности зеркала не перекрывают точку фокуса. Тогда свет, излучаемый под небольшими углами по отношению к оптической оси зеркала, будет также попадать в фокус.
Рисунок 5. Ширину параболы измеряют относительно линии, проходящей через фокус перпендикулярно оси симметрии
Рисунок 6. Одна часть параболы обеспечивает отклонение пучка от оси симметрии на 90°
Рисунок 7. Участок зеркала ближе к оси параболы обеспечит меньший угол отклонения от оси
Рисунок 8. Уменьшение ширины параболы увеличивает угол внеосевой параболы
Внеосевой угол зеркала измеряется между оптической осью зеркала и осью фокуса. Угол зависит от сегмента параболы, а также от ширины (рис. 6) базовой параболы. Внеосевое параболическое зеркало на рисунке 5 имеет угол 90°.
Увеличение ширины родительской параболы уменьшает внеосевой угол. Обратная зависимость проиллюстрирована на рисунках 7 и 8. Ширина параболы на рисунке 7 больше, это зеркало с меньшим внеосевым углом.
Ширина параболы также влияет на фокусное расстояние. Чем шире парабола, тем больше фокусное расстояние внеосевого параболического зеркала, и наоборот.
Фокусировка излучения внеосевым параболическим зеркалом
Рисунок 9. Фокусная и оптическая оси зеркала не совпадают и не параллельны
Рисунок 10. Когда коллимированный пучок проходит параллельно оптической оси параболического зеркала или внеосевого зеркала, свет фокусируется в дифракционно ограниченное пятно
Рисунок 11. Когда коллимированный пучок не сонаправлен оптической оси зеркала, не удастся собрать излучение в пятно
Выходной коллимированный пучок будет иметь высокое качество, если пройдет параллельно оптической оси внеосевого зеркала. Это условие связано с параболической формой отражающих поверхностей этих зеркал, не симметричных относительно их фокальных точек.
Параболические и внеосевые параболические зеркала
Отражающая поверхность внеосевого зеркала эквивалентна части базовой параболы, которая не центрирована на оптической оси (рис. 9). Обычное параболическое зеркало показано на рисунке 10.
Ось фокусировки внеосевого зеркала проходит через задний фокальный отрезок и геометрический центр зеркала. Фокальная и оптическая оси зеркала не параллельны. Напротив, эти оси совпадают у параболических зеркал, отражающие поверхности которых центрированы на оптической оси базовой параболы.
Коллимированный свет, направленный не параллельно оптической оси, не будет фокусироваться в точке (рис. 11). Чтобы получить сильно коллимированный пучок от точечного источника, источник должен быть расположен в точке фокуса.
Рисунок 12. Внеосевые зеркала имеют плоское круглое основание и боковые стороны. Плоское основание перпендикулярно оптической оси зеркала. Для примера показано зеркало MPD2151-P01
Рисунок 13. Ориентацию оптической оси можно определить, заметив, что она перпендикулярна основанию зеркала. Местоположение фокальной точки можно приближенно определить, рассматривая коллимированные пучки, направленные параллельно оптической оси. Эти лучи отражаются симметрично вокруг локальных нормалей поверхности и проходят через точку фокусировки зеркала
При работе с внеосевыми параболическими зеркалами может возникнуть сложность с определением оптической и фокальной осей (рис. 12). Физические характеристики и размеры подложки зеркала могут служить ориентиром при установке и юстировке зеркала: подложка зеркала имеет плоское круглое основание. Оптическая ось ориентирована перпендикулярно плоскому основанию. Следовательно, коллимированный пучок должен быть направлен нормально к поверхности основания. Подложка имеет длинную и короткую стороны, а отражающая поверхность расположена под углом. Нормаль к поверхности в различных точках отражателя можно приблизительно оценить, рассматривая поверхность зеркала на достаточно близком расстоянии (рис. 13).
Особенности монтажа и центровки зеркал Thorlabs
Внеосевые зеркала Thorlabs имеют установочное отверстие и три резьбовых монтажных отверстия, вырезанных на нижней поверхности их оснований. Схема расположения резьбовых отверстий соответствует вершинам равностороннего треугольника, а положение установочного отверстия указывает на короткую сторону внеосевого зеркала. Резьбовые отверстия предназначены для крепления зеркала к монтажным адаптерам или платформам.
Рисунок 14. Пара внеосевых зеркал может использоваться в приложениях обработки изображений или для передачи излучения на расстояние
Рисунок 15. Пара внеосевых зеркал может использоваться для передачи света в оптоволокне
Установка и калибровка зеркала
Рисунок 16. Форма отражающего профиля внеосевого зеркала соответствует части родительской параболы, которая не центрирована в фокусной точке. Из-за этого отражающая поверхность не является осесимметричной. При установке зеркала следует следить за тем, чтобы зеркало не вращалось вокруг своей оптической оси
Рисунок 17. Интерферометр с фазовой пластиной, помещенный в выходной пучок, может облегчить процесс юстировки внеосевого зеркала
Когда зеркало вращается, положение его фокальной точки также меняется из-за асимметрии. Поскольку это может отрицательно сказаться на точности оптической системы, зеркало следует закрепить так, чтобы отражающая поверхность не могла вращаться вокруг оптической оси.
Отражающие коллиматоры на основе внеосевых зеркал
Два порта на отражающих волоконных коллиматорах Thorlabs не взаимозаменяемы. Один порт предназначен для оптоволоконного соединителя, принимающего сильно расходящийся свет. Другой порт предназначен исключительно передачи коллимированного пучка в свободном пространстве (Рисунок 18).
Рисунок 18. Thorlabs предлагает отражающие коллиматоры, которые включают порт для оптоволоконного соединителя и порт для свободного пространства, коллимированный свет, распространяющийся параллельно оптической оси
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
