За счет чего достигается наибольшее увеличение оптического прибора

УВЕЛИЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Среди различных типов оптических приборов широкое распространение получили приборы, которые предназначены для вооружения глаза: очки, лупа, зрительные трубы (бинокли), микроскопы; важнейшей характеристикой таких приборов является видимое увеличение.

Лучи, проведенные через крайние точки предмета и оптический центр глаза, образуют угол, который называется углом зрения.

Видимым увеличением оптического прибора Г называется отношение тангенса угла зрения φ₂ при наблюдении предмета через прибор к тангенсу угла зрения φ₁ при наблюдении невооруженным глазом предмета, который должен быть расположен на расстоянии 25 см от глаза (при определении увеличения лупы и микроскопа) или на том же самом расстоянии, что при наблюдении через прибор (для зрительных труб):

. (1)

В первом приближении объективы и окуляры оптических приборов мож­но рассматривать как тон­кие линзы.

Лупа. Ход лучей представлен на рис. 1. Предмет АВ устанавливается в фокальной плоскости линзы. Лучи, выходящие из одной и той же точки предмета (нап­ример, 1, 2), идут после лупы параллельно. Для получения изображения предмета на сетчатке глаз аккомодируется на бесконечность. Увеличение

. (2)

Возможно размещение предмета между фокусом и линзой (А₂В₂); тогда изображение на сетчатке получится при аккомодации глаза на мнимое изображение A₁B₁ расположенное на таком расстоянии от глаза, которое является наиболее удобным для зрения.

Зрительные трубы. Предназначаются для наблюдения удаленных предметов, поэтому изображение предмета, которое получается в объективе, находится в его фокальной плоскости (или вблизи нее).

. (3)

Если измерить соответствующие величины, входящие в (3), то можно рассчитать увеличение.

На рис. 3 показан ход лучей в трубе Галилея, где в качестве окуляра используется рассеивающая линза. Смысл обозначений тот же, что и на рис. 2.

Микроскоп. С помощью оптических микроскопов рассматриваются близко расположенные предметы или их отдельные части) с большим увеличением (до 1200 раз). Ход лучей в микроскопе (без осветителя) показан на рис. 4. Предмет АВ размещается вблизи фокальной плоскости объектива О₁. Увеличенное действительное изображение A₁B₁ получается в передней фокальной плоскости окуляра О₂.

Видимое увеличение микроскопа:

, (4)

где согласно определению (см. рис. 4).

Из чертежа следует, что

, , Þ ,

а) осветительное устройство, состоящее из зеркала 1 и конденсора 2 с диафрагмой;

б) оптическая изображающая система (объектив 4, окуляр 6);

в) механическая система, которая обеспечивает перемещение оптической системы относительно предмета (кремальера для грубого смещения 7 и микрометрическая кремальера 8).

Исследуемый препарат устанавливается на предметном столике 3 с держателями. Для быстрой смены объективов у современных микроскопов имеется револьверная головка 5.

Перемещение зеркала 1 осуществляется кремальерой 9. Объектив микроскопа представляет собой систему линз; ближайшая к предмету линза называется фронтальной; она в основном обеспечивает необходимое увеличение; другие линзы предназначены для исправления недостатков изображения. При наблюдении в микроскоп изображение предмета кажется расположенным на расстоянии 25-30 см перед глазом. Это впечатление обусловлено психологией восприятия. В самом деле, как показывает опыт, наилучшая резкость изображения соответствует аккомодации глаза на бесконечность, т.е. лучи, выходящие из одной и той же точки предмета, окуляром преобразуются в параллельный пучок.

ЗАДАНИЕ. 1. Определить увеличение зрительной трубы.

Источник

Разрешающая способность и увеличение оптических приборов

Разрешающая способность микроскопа.Мы характе­ризовали действие микроскопа его увеличением. Как мы уже видели на примере лупы, увеличение, дости­гаемое с помощью оптической системы, ведет к возможности рассматривать части предмета под большим углом зрения и, следовательно, различать более мелкие детали. Ми­кроскоп позволяет различать отдельные детали объекта, ко­торые для невооруженного глаза или при наблюдении с про­стой лупой сливаются в точку, т. е. микроскоп лучше, чем лупа, разрешает тонкую структуру объекта. Однако, осуществляя большие увеличения, мы можем повысить раз­решающую способность микроскопа лишь до известного пре­дела. Это связано с тем фактом, что наши представления о свете как о лучах уже оказываются слишком грубыми, ста­новится необходимым учитывать волновые свойства света. Сказанное относится не только к микроскопу, но и к другим оптическим приборам. Более подробно явления, связанные с волновой природой света, будут нами рассмотрены позже (§ 134). Здесь же нам важно отметить, что волновая природа света накладывает опреде­ленный предел на разрешающую способность всех опти­ческих систем *), в частности и микроскопа. Если две точки объекта находятся одна от другой на расстоянии, меньшем некоторого предела, то мы не сможем их «разрешить»: их изображения всегда будут сливаться между собой, ка­ким бы большим увеличением ни обладал микроскоп.

Предельная разрешающая способ­ность достигается при возможно более всестороннем освещении объекта. Вследствие этого в современных мик­роскопах для освещения объекта применяются специальные конденсоры, дающие широкие пучки лучей. Предельная разрешающая способность достигается при увеличении микроскопа, равном около 1000.

*) По отношению к которым разумно говорить о разрешающей способности.

Источник

За счет чего достигается наибольшее увеличение оптического прибора

Увеличение оптического прибора, и в том числе микроскопа- величина до некоторой степени условная. Под увеличением микроскопа принято понимать отношение размера изображения препарата на сетчатке глаза, образованное при наблюдении через микроскоп, к размеру изображения того же препарата, полученному на сетчатке при наблюдении невооруженным глазом. Исходя из этого определения, часто употребляют выражение видимое увеличение микроскопа.

Увеличение микроскопа

где P‘Q‘ — увеличенное действительное изображение предмета;

PQ — размер предмета;

P»Q» — увеличенное мнимое изображение предмета;

N₁ — линейное увеличение объектива;

N₂ — линейное увеличение окуляра.

Выводы об увеличении микроскопов и оптических приборов

Из вышесказанного видно, что увеличение микроскопа рассчитывается довольно просто, достаточно перемножить увеличения, полученные объективом и окуляром в отдельности. Такое коструктивное устройство позволяет создать приборы, при помощи которых возможно получить очень большие увеличения, 1000 и более.

Обычно в базовой комплектации большинство микроскопов имеют окуляры 10 крат и, соответственно, увеличение до 1000 крат, при использовании 100-кратного иммерсионного объектива. «Базовое» увеличение легко повысить путем введения дополнительного окуяра.

Источник

Лабораторная работа №5. Увеличение оптических приборов

Увеличение оптических приборов

Краткая теория. Среди различных типов оптических приборов широкое распространение получили приборы, которые предназначены для вооружения глаза: очки, лупа, зрительные трубы (бинокли), микроскопы; важнейшей характеристикой таких приборов является видимое увеличение.

Лучи, проведенные через крайние точки предмета и оптический центр глаза, образуют угол, который называется углом зрения.

Видимым увеличением оптического прибора Г называется отношение тангенса угла зрения j₂ при наблюдении предмета через прибор к тангенсу угла зрения j₁ при наблюдении невооруженным глазом предмета, который должен быть расположен на расстоянии 25 см от глаза (при определении увеличения лупы и микроскопа) или на том же самом расстоянии, что при наблюдении через прибор (для зрительных труб):

(1)

	Видимое увеличение будет положительным, когда изображение прямое; при наличии обратного изображения оно становится отрицательным. В первом приближении объективы и окуляры оптических приборов можно рас- сматривать как
рис.1

Лупа . Ход лучей представлен на рисунке 1.

Предмет АВ устанавливается в фокальной плоскости линзы. Лучи, выходящие из одной и той же точки предмета (например, 1, 2), идут после лупы параллельно. Для получения изображения предмета на сетчатке глаз аккомодируется на бесконечность. Увеличение

(2)

Возможно размещение предмета между фокусом и линзой (А₂В₂); тогда изображение на сетчатке получится при аккомодации глаза на мнимое изображение А₁В₁, расположенное на таком расстоянии от глаза, которое является наиболее удобным для зрения.

Формулы для расчета увеличения выводятся для аккомодации глаза на бесконечность; при такой оценке увеличение является объективной величиной. При иной аккомодации увеличение является субъективным; однако оно будет незначительно отличаться от объективного увеличения. Опытные наблюдатели всегда устанавливают лупы (и другие приборы) таким образом, чтобы глаз был аккомодирован на бесконечность.

В любом оптическом приборе, который применяется для визуального наблюдения, роль лупы выполняет окуляр.

Зрительные трубы. Предназначаются для наблюдения удаленных предметов, поэтому изображение предмета, которое получается в объективе, находится в его фокальной плоскости (или вблизи нее).

Ход лучей в астрономической зрительной трубе (труба Кеплера) показан на рисунке 2. Лучи 1,1 идут параллельно от одной точки удаленного предмета, лучи 2,2 – от другой точки. В плоскости, где расположен задний фокус объектива и передний фокус окуляра, получается действительное изображение предмета. Это изображение рассматривается через окуляр, как через лупу. Из построения видно, что в плоскости MN получается изображение D₂ оправы объектива D₁. Видимое увеличение трубы:

рис. 2

(3)

Если измерить соответствующие величины, входящие в (3), то можно рассчитать увеличение.

рис. 3

На рисунке 3 показан ход лучей в трубе Галилея, где в качестве окуляра используется рассеивающая линза. Смысл обозначений тот же, что и на рисунке 2.

Оптические приборы, составленные из двух параллельных зрительных труб, которые позволяют наблюдать удаленный предмет обоими глазами, называют биноклями.

	С целью уменьшения длины тубуса и увеличения расстояния между объективами (в результате чего улучшается стереоскопичность изображения) в специальных биноклях используют две пары призм полного отражения. Ход лучей в одной паре призм призматического бинокля показан на рисунке 4. Призмы, как следует из рисунка, обеспечивают получение прямого изображения предмета.
рис. 4

Микроскоп. С помощью оптических микроскопов рассматриваются близко расположенные предметы (или их отдельные части) с большим увеличением (до 1200 раз). Ход лучей в микроскопе (без осветителя) показан на рисунке 5. Предмет АВ размещается вблизи фокальной плоскости объектива О₁. Увеличенное действительное изображение А₁В₁ получается в передней фокальной плоскости окуляра О₂. Видимое увеличение микроскопа

, (4)

где согласно определению (см. рисунок 5).

рис. 5

Из чертежа следует, что

рис. 6

, ,

,

Важную роль в микроскопе играет осветительное устройство. От него зависит как яркость изображения, так и линейный предел разрешения l_М, который определяется условием

,

Общий вид микроскопа приводится на рис. 6. На рисунке показаны:

а) осветительное устройство, состоящее из зеркала 1 и конденсора 2 с диафрагмой;

б) оптическая изображающая система (объектив 4, окуляр 6)

в) механическая система, которая обеспечивает перемещение опти-ческой системы относительно предмета (кремальера для грубого смещения 7 и микрометрическая кремальера 8);

Исследуемый препарат устанавливается на предметном столике 3 с держателями. Для быстрой смены объективов у современных микроскопов имеется револьверная головка 5.

Перемещение зеркала 1 осуществляется кремальерой 9.

Объектив микроскопа представляет собой систему линз; ближайшая к предмету линза называется фронтальной; она в основном обеспечивает необходимое увеличение; другие линзы предназначены для исправления недостатков изображения.

При наблюдении в микроскоп изображение предмета кажется расположенным на расстоянии 25-30см перед глазом. Это впечатление обусловлено психологией восприятия. В самом деле, как показывает опыт, наилучшая резкость изображения соответствует аккомодации глаза на бесконечность, т.е. лучи, выходящие из одной и той же точки предмета, окуляром преобразуются в параллельный пучок.

Задания.

рис. 7

рис. 7а

1. Определить увеличение зрительной трубы.

I-й способ. Зрительная труба фокусируется на линейку, расположенную на расстоянии не менее 8-10 м. Затем одним глазом рассматривается линейка через трубу, вторым глазом – непосредственно (без прибора). Определяется через трубу число делений n₂, которые совмещаются с числом делений n₁, видимых непосредственно глазом; увеличение будет равно n₁/n₂. Если после окуляра разместить призму (рис. 7), перекрывающую часть лучей, то на сетчатке глаза можно получить одновременно два изображения одной и той же шкалы. В этом случае определяется число делений n₁ и n₂ одним глазом (рис. 7а).

II-й способ. В трубу направляется параллельный пучок света из коллиматора (см. работу 4). За окуляром получается изображение D₂ оправы объектива. Измерительным микроскопом определяется диаметр изображения D₂, штангенциркулем – диаметр объектива D₁.Увеличение рассчитывается по формуле (3).

рис. 8

2. Определить увеличение микроскопа. На предметный столик микроскопа устанавливается стеклянная шкала с делениями (цена деления должна быть известна) – например, объективный микрометр, сетка или дифракционная решетка. На столике, расположенном на расстоянии 25см от окуляра, размещается линейка с миллиметровыми делениями. Микроскоп фокусируется на шкалу. Затем одним глазом наблюдается через микроскоп шкала, расположенная на предметном столике, вторым – миллиметровая шкала. Отсчитывается число совпадающих в поле зрения делений обеих шкал. Если число совмещенных делений сетки оказалось равным n₁, а миллиметровой линейки – n₂, то увеличение будет равно

( — цена деления сетки в миллиметрах). Можно наблюдать изображение сетки и масштабной линейки Л, расположенной сбоку от окуляра на расстоянии 25 см, одним глазом; в этом случае над окуляром устанавливается насадка с небольшой призмой П; ход лучей в призме показан на рисунке 8. Измерения проводятся при различных объективах и окулярах.

3. Построить ход лучей в зрительной трубе и в микроскопе.

4. Рассчитать линейный предел разрешения различных объективов.

Вопросы.

1. Что такое увеличение оптического прибора? От каких факторов оно зависит? Дать вывод формулы для увеличения трубы Галилея и микроскопа.

2. Что такое линейный предел разрешения?

3. Устройство микроскопа и его применение.

4. Какую роль играют призмы в бинокле? Начертить ход лучей в них.

5. Как проводится определение увеличения лупы, микроскопа, зрительной трубы?

Литература.

1. Ландсберг Г.С. Оптика, 1976, §92.

2. Королев Ф.А. Курс физики, 1974, §36.

3. Физический практикум под ред. И.В. Ивероновой, 1968, стр.395.

4. Поль Р.В. Оптика и атомная физика, 1965, гл.4.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика, 1958, §23-24.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ РЕФРАКТОМЕТРОМ

Краткая теория. Луч (световой луч) — геометрическая линия, вдоль которой распространяется энергия, переносимая электромагнитными волнами.

Законы геометрической оптики можно использовать в том случае, когда площадь фронта волны значительно больше произведения bl (b — расстояние от линзы до точки наблюдения, l — длина волны).

Закон прямолинейного распространения света в однородной среде:в однородной среде лучи являются прямыми линиями.

Углом падения называется угол между направлением падающего луча и перпендикуляром к границе раздела в точке падения. Угол между этим перпендикуляром и направлением отраженного луча называется углом отражения.

Закон отражения. Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости. При падении луча на границу раздела двух изотропных сред угол отражения равен углу падения.

В зависимости от свойств границы раздела различают два вида отражения света. Если поверхность раздела имеет неровности, размеры которых значительно меньше длины волны света, то происходит зеркальное отражение. В этом случае падающие параллельные лучи света после отражения остаются параллельными. Если неровности расположены на отражающей поверхности хаотично и имеют размеры, сравнимые с длиной волны, то происходит диффузное отражение. В этом случае параллельные лучи света после отражения перестают быть параллельными, однако при условии h cos i

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник

Разрешающая способность оптических приборов. Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов

Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие две большие группы.

1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти приборы зрительно увеличивают рассматриваемые предметы.

2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.). Эти приборы зрительно приближают рассматриваемые предметы.

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей.

Лупа. В зависимости от угла, под которым виден предмет, мы сможем рассмотреть его более или менее подробно. Например, мелкая монета с расстояния в 30 см кажется вдвое больше, чем с расстояния в 60 см, так как в первом случае она видна под вдвое большим углом, чем во втором. Чтобы лучше разглядеть детали предмета, мы подносим его ближе к глазам, тем самым увеличивая угол зрения (рис. 7.5), Но наши глаза могут аккомодироваться лишь до определенного предела. Минимальное расстояние, на котором глаз может обеспечить четкую фокусировку, это расстояние наилучшего зрения. Максимальное расстояние, на котором глаз может обеспечить отчетливую фокусировку, называется пределом зрения, и соответствует случаю полного расслабления мышц. Для нормального глаза предел зрения очень велик, и его можно считать бесконечным.

Лупа позволяет зрительно приблизить предмет к глазу, и предмет будет виден под большим углом. Лупа представляет собой короткофокусную линзу, которую помещают для рассматривания предмета так, чтобы предмет был между главным фокусом и линзой. Глаз увидит мнимое и увеличенное изображение предмета, которое должно находиться от глаза на расстоянии не менее 25 см, чтобы глаз мог сфокусироваться на нем (рис. 7.6). Если мышцы расслаблены, то изображение оказывается бесконечно удаленным, в этом случае объект находится точно в фокусе. Такую наводку на резкость и производят, передвигая лупу и фокусируя ее на объекте.

На рис. 7.6 объект рассматривается с помощью лупы (рис. 7.6а) и невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения (рис. 7.6б). Видно, что при использовании лупы объект виден под гораздо большим углом. Угловое увеличение будет равно

.

Угловое увеличение можно выразить через фокусное расстояние лупы. Будем полагать, что изображение на рис. 7.6а находится на расстоянии наилучшего зрения, то есть . Тогда расстояние до объекта определится соотношением , или . Пусть высота объекта h настолько мала, что синусы и тангенсы углов и равны самим углам в радианной мере. Тогда , и . Поэтому угловое увеличение лупы для случая, когда глаз сфокусирован в точку на расстоянии наилучшего зрения:

.

(7.1)

Если при пользовании лупой мышцы глаз расслаблены, то изображение оказывается бесконечно удаленным, а объект расположен точно в фокусе. В этом случае , и угловое увеличение лупы равно

.

(7.2)

Из сравнения (7.1) и (7.2) видно, что большего увеличения удается достичь, когда глаз фокусируется в точку на расстоянии наилучшего зрения, чем когда мышцы глаз расслаблены. Чем короче фокусное расстояние линзы, тем больше увеличение.

Микроскоп – оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта, при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на расстояние наилучшего видения минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т.п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопа определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Он даёт возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух короткофокусных линз – объектива и окуляра. Ход лучей в микроскопе приведен на рис. 7.7. Объект располагается непосредственно за фокусом объектива. Создаваемое объективом действительное изображение находится очень далеко от линзы и сильно увеличено. В свою очередь, это изображение сильно увеличивается окуляром и превращается в очень большое мнимое изображение , наблюдаемое глазом.

Рис. 7.8

Полное увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. Из формулы для увеличения линзы получаем, что увеличение объектива , где – расстояние между линзами, равное длине тубуса, – фокусное расстояние окуляра. Окуляр действует как простая лупа. Если предположить, что мышцы глаз расслаблены, то увеличение окуляра равно , где N – расстояние наилучшего зрения, – фокусное расстояние окуляра. Так как окуляр увеличивает создаваемое объективом изображение, то общее увеличение Г равно

.

(7.3)

Формула (7.3) обеспечивает достаточно высокую точность, если и , а . Это хорошее приближение при больших увеличениях, так как последние достигаются при малых значениях и , входящих в знаменатель формулы (7.3).

Внешний вид лабораторного микроскопа изображен на рис. 7.8.

Телескоп.Телескоп применяется для увеличения сильно удаленных объектов. В большинстве случаев объект можно считать расположенным на бесконечности. Первым использовал телескоп для наблюдения небесных тел Галилей, что привело к ряду поразительных открытий. Среди прочего Галилей открыл спутники Юпитера, фазы Венеры, солнечные пятна, структуру лунной поверхности и установил, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд.

Существуют разные типы астрономических телескопов. Обычный телескоп-рефрактор имеет две собирающие линзы, расположенные на противоположных концах длинной трубы. Ход лучей в телескопе изображен на рис. 7.9. Линза, обращенная к объекту, называется объективом. Она создает действительное изображение в своей фокальной плоскости, если объект бесконечно удален, или вблизи нее, если объект окажется не бесконечно удаленным. Изображение расположено очень близко ко второй линзе, называемой окуляром и действующей как лупа. Окуляр увеличивает создаваемое объективом изображение , в результате чего возникает второе, сильно увеличенное изображение , которое будет мнимым. Если мышцы глаз расслаблены, то окуляр юстируется так, чтобы изображение оказалось на бесконечности. В этом случае действительное изображение находится в фокальной плоскости окуляра, и в случае бесконечно удаленного объекта расстояние между линзами равно сумме их фокусных расстояний .

Рис. 7.9

Определим полное увеличение телескопа. Из рис. 7.9 видно, что угол, под которым объект виден невооруженным взглядом, совпадает с углом , под которым объект виден из объектива телескопа. Обозначим высоту изображения , полученного с помощью объектива, через h. Полагая , запишем . Луч 1 до попадания в окуляр параллелен главной оптической оси, и, следовательно, после преломления в окуляре пройдет через фокус . Тогда , и полное увеличение телескопа будет равно

.

Таким образом, чтобы увеличение было больше, в качестве объектива следует выбирать более длиннофокусную линзу, а в качестве окуляра – более короткофокусную линзу.

Для получения с помощью астрономических телескопов ярких изображений удаленных звезд объектив должен быть большим, чтобы пропускать как можно больше света. Но изготавливать линзы большого диаметра технически очень сложно, кроме того, такие линзы имеют большую массу. Поэтому в больших телескопах, так называемых рефлекторах, вместо объектива используется сферическое зеркало. У зеркала полируется только одна сторона, и оно может, в отличие от линзы, опираться на опору всей поверхностью.

Это интересно

Телескопы

Старинный телескоп. Снимок взят с сайта http://www.krugosvet.ru

Основной объем знаний о Вселенной человечество получило, используя оптические инструменты – телескопы. Уже первый телескоп-рефрактор, изобретенный Галилеем в 1610 г., позволил сделать великие астрономические открытия. Несмотря на то, что первый телескоп имел скромные размеры (длина трубы 1 245 мм, диаметр объектива 53 мм, оптическая сила окуляра 25 диоптрий) и обеспечивал всего 30-кратное увеличение, он позволил сделать целую серию замечательных открытий: фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути.

Очень плохое качество изображения в первых телескопах побуждало оптиков искать пути решения этой проблемы. Значительно улучшить качество изображения можно было за счет увеличения фокусного расстояния объектива. Христиан Гюйгенс, проводя наблюдения с 64-метровым воздушным телескопом, открыл кольцо Сатурна и его спутник – Титан, а также заметил полосы на диске Юпитера. Другой крупный астроном того времени, Жан Кассини, с помощью воздушных телескопов открыл еще четыре спутника Сатурна (Япет, Рея, Диона, Тефия), щель в кольце Сатурна (щель Кассини), «моря» и полярные шапки на Марсе.

В 1663 г. Грегори создал новую схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало. Основная аберрация линзовых объективов – хроматическая – полностью отсутствует в зеркальном телескопе. Первый телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в 1668 г. В настоящее время практически все телескопы являются зеркальными (рефлекторами), то есть оснащаются не преломляющими свет, а отражающими объективами. Поэтому технический прогресс в астрономии определяется возможностями производства астрономических зеркал все большего и большего размера.

Однако оптические технологии имеют свои пределы, и в настоящее время дальнейший рост размеров цельных зеркал практически невозможен. Для повышения разрешающей способности своих приборов астрономы стали применять новую методику – оптическую интерферометрию, позволяющую создать своеобразный «виртуальный» телескоп из нескольких; его способность различить два близко расположенных объекта определяется не диаметром основного зеркала, а расстоянием между двумя зеркалами. В конечном итоге разрешающая способность подобной составной системы чрезвычайно высока – такая же, как у цельного зеркала, размер которого равен расстоянию между зеркалами интерферометрической системы.

Телескопы им. Кека

На данный момент крупнейшими в мире телескопами-рефлекторами являются два телескопа Кека, расположенные на Гавайях на высоте 4 150 м над уровнем моря. Keck-I и Keck-II введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 гг. соответственно и имеют эффективный диаметр зеркала почти 10 м. На 10-метровом зеркале телескопа «Keck-I» при помощи сегментирования получено разрешение 0,02″. Телескопы-близнецы расположены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м.

Крупнейший в Евразии телескоп БТА находится на территории России, в горах Северного Кавказа, и имеет диаметр главного зеркала 6 м. Он работает с 1976 г. и длительное время был крупнейшим телескопом в мире.

Первым приемником изображений в телескопе, изобретенным Галилеем в 1609 г., был глаз наблюдателя. С тех пор не только увеличились размеры телескопов, но и принципиально изменились приемники изображения. В начале ХХ в. в астрономии стали употребляться фотопластинки, чувствительные в различных областях спектра. Затем были изобретены фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи.

В современных телескопах в качестве приемников излучения используют ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица состоит из большого количества (1000?1000 и более) полупроводниковых чувствительных ячеек размером в несколько микрон каждая, в которых кванты излучения освобождают заряды, накапливаемые в определенных местах – элементах изображения. Изображения обрабатываются затем в цифровом виде. Матрица должна охлаждаться до температур –130 °С.

В современных телескопах-рефлекторах главное зеркало, как правило, имеет параболическую или гиперболическую форму. Они способны получать изображение не только в оптическом, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Наблюдения на современных телескопах проводятся из специальных помещений; во время работы телескопов людям в здании желательно не находиться, чтобы не создавать лишних вибраций и потоков тепла. Некоторые телескопы могут передавать изображение напрямую пользователям Интернета.

Помехи при астрономических наблюдениях – весьма серьезная проблема Погодные условия (например, облачность, пылевые образования в атмосфере) вносят погрешности в программы наземных наблюдений, к которым астрономы иной раз готовятся годами. Кроме того, флуктуации плотности воздуха в атмосфере приводят к дрожанию или размыванию изображений астрономических объектов. Помимо помех природного характера проблемы для оптической астрономии представляет нарастающая засветка от населенных пунктов, промышленных центров, техногенное загрязнение атмосферы. Это не позволяет наземным телескопам приблизиться к теоретически возможным значениям разрешения. Земная атмосфера прозрачна далеко не во всей области электромагнитного излучения, а картина мироздания, построенная только лишь по наблюдениям в видимой области, является неполной. Борясь с вредным влиянием атмосферы, астрономы устремились сначала в высокогорные районы, затем стали поднимать свои инструменты на аэростатах, а еще позднее – проводить наблюдения со специально оборудованных самолетов, либо с высотных ракет.

Телескоп Хаббла с развернутыми солнечными батареями и узконаправленной антенной удерживается манипулятором Шаттла (полет STS-31). Снимок взят с сайта http://corp.cnews.ru

Вывод оптических телескопов за пределы атмосферы Земли издавна был желанной целью астрономов. Поэтому в наш космический век особое значение придается орбитальным обсерваториям. По мере развития заатмосферной астрономии и роста числа спутников, предназначенных для проведения наблюдений небесных объектов в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах, появилась необходимость выведения на орбиту мощного оптического телескопа. Этот шаг открывал новые возможности по работе в недоступном прежде угловом разрешении.

Первый такой телескоп был создан в США и впоследствии выведен на орбиту Земли. Космический телескоп им. Хаббла запущен в апреле 1990 г. Телескоп Хаббла представляет собой тяжелый, массой около 11 тонн, спутник, стабилизированный по трем осям с помощью гироскопов; точность ориентации достигает 0,007 угловых секунд. Две двусторонних поворотных солнечных батареи обеспечивают мощность 5 кВт.

Телескоп им. Хаббла имеет диаметр 2,4 м. Он регистрирует объекты вплоть до 30-й звездной величины, а его угловое увеличение – лучше 0,1″ (под таким углом видна горошина с расстояния в несколько десятков километров). Телескоп предназначен для работы в оптическом, а также ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Основные его задачи:

1) исследование строения, физических характеристик и динамики небесных тел;

2) исследование процессов формирования, эволюции звезд и галактик и их строения;

3) исследование истории и эволюции Вселенной.

Изображение системы Плутон-Харон, полученное с помощью наземного телескопа (слева) и телескопа Хаббла (справа)

С помощью телескопа Хаббла удалось получить снимки далеких объектов Солнечной системы, наблюдать падение кометы Шумейкеров–Леви на Юпитер и извержение Ио, изучить цефеиды и квазары, получить снимки предельно слабых галактик. Список открытий, совершенных с помощью телескопа им. Хаббла, обширен. Можно сказать, что практически каждый объект на снимках космического телескопа представал перед учеными в новом свете. Для обработки поступающих с телескопа им. Хаббла данных создан специальный институт – Space Telescope Science Institute в г. Балтимор, штат Мэриленд.

Сеть обмена данными телескопа им. Хаббла.

Рисунок взят с сайта http://corp.cnews.ru

В настоящее время космические агентства США и Европы работают над созданием нового космического телескопа, который заступит на космическую вахту вместо телескопа им. Хаббла. В создании нового телескопа будут использованы новейшие технологии и разработки. Во многом изменится и круг стоящих перед телескопом задач – одной из них станет, например, проверка и уточнение шкалы астрономических расстояний. Новый телескоп уже получил имя Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST). Предполагается, что он сможет приступить к работе уже в 2011 г. Новый телескоп будет оснащен главным зеркалом диаметром 6,5 м; тем самым он будет собирать в семь раз больше света, чем телескоп им. Хаббла.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник