Телескоп як афокальна система

Астрофізичні спостереження полягають у дослідженні фізичними методами випромінювання космічних об'єктів. Густина потоку такого випромінювання на поверхні Землі, зрозуміло, дуже мала. Її можна збільшити, приймаючи падаюче випромінювання на поверхню увігнутого дзеркала (або додатної лінзи), що будує дійсне зображення досліджуваного об'єкта
у фокальній площині.

Одночасно дзеркало (або лінза) виконує і іншу функцію — дає роздільне зображення двох або кількох об'єктів, розміщених на небі настільки близько, що для неозброєного ока вони зливаються в один. У цьому і полягає першочергова ідея телескопа — «наблизити» об'єкти, тобто бачити їх під більшим кутом, ніж неозброєним оком.

Проблему «наближення» небесних об`єктів можна успішно розв`язати за допомогою однієї лінзи. Пучки паралельних променів від зірок S і S¢, що ідуть під кутом один до одного, утворюють у фокальній площині лінзи (дзеркала) зображення S₁ і S¢ ₁ (рис. 4). Ці зображення видно під кутом , якщо око розташувати на відстані ясного зору l. Якщо l менша фокусної відстані Fлінзи, то кут більший і наша лінза «збільшує». Відношення : , що приблизно дорівнює відношенню F: l, і є збільшенням. Для нормального ока l дорівнює 25-30 см, отже, лінза з F= 1 м уже дає збільшення у 3-4 рази.

У фокальній площині лінзи (дзеркала) можна розташувати фотографічну пластинку. На фотографії небо буде видно в збільшеному або зменшеному вигляді залежно від того, що більше — F чи l.

Слід зауважити, що одиночна лінза (дзеркало) незручна для візуальних спостережень принаймні з двох причин:
1) для одержання великих збільшень потрібно використовувати лінзи (дзеркала) із великими фокусними відстанями F; 2) поле зору такого телескопа мале. Справді, якщо продовжити промені, що зійшлися в точці S¢ ₁, то жоден із них не потрапить до ока і, якщо зірки S та S¢ не дуже близькі одна до одної, їх не можна бачити одночасно, а лише переміщуючи око паралельно площині . Зрозуміло, що при розгляді фотографії ця незручність не виникає, через що камери досить поширені. Крім того, оптична потужність об`єктивів, які звичайно використовуються в телескопах, буде суттєво зменшена, оскільки промені, що виходять із точки S₁, лише частково потрапляють до ока.

Отже, око повинно розташовуватися, наскільки це можливо, ближче до фокальної площини . Цього можна досягти, використавши іще одну лінзу для розглядання зображення S₁ і S¢ ₁ у фокальній площині так само, як використовують лупу для розглядання фотографії.

У результаті використання другої лінзи отримується телескопічна система, характерна тим, що після другої лінзи (окуляра) світло від зорі знову поширюється паралельним пучком. Це досягається суміщенням фокусів у точці S₁ (рис. 5). Тоді відстань між першою лінзою (об'єктивом) та другою лінзою (окуляром) рівна

(4.8),

де F і f — фокусна відстань об'єктива та окуляра; Ф₁ і Ф₂

— оптична сила об'єктива та окуляра. Звернувшись до формули (4.5), можна зробити висновок, що оптична сила телескопічної системи дорівнює нулю. А з формули (4.4) випливає, що її фокусна відстань наближається до нескінченності. Така оптична система називається афокальною.

У площині S, в межах кружка ab, перетинаються всі паралельні пучки, що поширюються з точок фокальної площини W об'єктива, розміщених у середині круга АВ.

Якщо об'єктив будує зображення якоїсь зорі поза цим кругом (наприклад, у точці Е), то певна частина променів цього зображення не потрапляє до окуляра, або, як говорять, має місце віньєтування світлового пучка. Віньєтуванням (від франц. nigne — виноград, графічна прикраса, облямівка образотворчих видань) називають явище зменшення яскравості на межі поля оптичної системи. АВ визначає діаметр невіньєтованого поля зору. Як правило, у площині W розміщують діафрагму (польова діаграма).

Діафрагмами називають перепони з отворами, які обмежують діаметри світлових пучків в оптичній системі.

Апертуроною діафрагмою (АП) називається та з діафрагм оптичної системи, яка обмежує просторовий кут пучків променів, що виходять із кожної точки предмета. Апертурна діафрагма впливає на яскравість і чіткість зображення предмета. Оправа об’єктива іноді слугує апертурною діафрагмою.

Польовою діафрагмою (ПД) називають діафрагму оптичної системи, яка обмежує поле зору цієї системи.

Апертурна й польова діафрагми є головними діафрагмами оптичної системи. Будь-яка діафрагма, окрім апертурної та польової, яка обмежує пучки променів, що поширюються від позавіcних точок предметної площини, називається віньєтувальною. Віньєтувальні діафрагми впливають на розмір області віньєтування та на розподіл яскравості в цій області.

Кружок аb називається окулярною зінницею, або вихідною зінницею. Зрозуміло, що кружечок аb є дійсним зображенням вхідної зіниці телескопа — об'єктива (або апертурної діафрагми), освітленого світлом усіх об'єктів, зображення яких потрапляють до круга АВ. Таким чином, при візуальних спостереженнях зіницю ока слід суміщати з окулярною зіницею.

Отже, астрономічний об'єктив будує дійсне зменшене (а не збільшене!) обернене зображення віддалених предметів, яке спостерігач бачить через окуляр як крізь лупу. Зменшеність побудованого зображення легко зрозуміти з таких міркувань. Телескопічна система збільшує кутові розміри предметів, тобто збільшення є кутовим. Воно дорівнює:

(4.9)

D — діаметр об'єктива;

d — діаметр окулярної зіниці.

Використавши співвідношення (4.3), отримаємо лінійне та поздовжнє збільшення.

З нерівності: випливає, що телескоп будує зменшене зображення протяжних об'єктів.