Моделирование Распространения Лучей в Системе Ньютоновского Телескопа

Bridget Cunningham 05/12/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Телескоп Ньютона (Ньютоновский телескоп) созданный в 1668, признан самым первым действующим отражающим телескопом в мире. В силу своей низкой стоимости и простой конструкции, данная оптическая система сразу же стал лучшей альтернативой телескопам-рефракторам и продолжает оставаться таковой вплоть до сегодняшнего дня. Используя модуль Геометрической Оптики (Ray Optics Module), можно анализировать распространение лучей в оптической схеме телескопов этого типа.

Преломление и Отражение

Первый действующий образец преломляющего телескопа появился в 1608 году. Как указано в его наименовании, данная оптическая система формирует изображение с помощью преломления, т.е. посредством изменения направления распространения света при пересечении им границы разделы между двух сред, в которых скорость света является различной. Простейший преломляющий телескоп использует линзу в качестве объектива, собирающего и фокусирующего падающий на него свет. Используемая в первых телескопах, данная оптическая схема достигла пика своей популярности во второй половине 19го века.

Однако, при применении данного устройства возникла проблема в виде хроматической аберрации. Этот тип искажения изображений вызван тем, что линза не может сфокусировать излучение всех цветов (длин волн) в одну и ту же точку фокусировки. В преломляющих телескопах, углы рефракции на каждой границе раздела (поверхности линзы) зависят от длины волны, приводя к тому, что различные длины волны будут фокусироваться в различные точки на оптической оси. В результате изображение размывается, а все объекты оказываются окруженными цветовым ореолом или гало.

Развивая теорию цвета, британский ученый сэр Исаак Ньютон связал этот технический недостаток преломляющих телескопов с призмами, с которыми он экспериментировал. Он указал на линзу телескопа, как на корень проблемы. Подобно его призмам, линза преломляющего телескопа разворачивает белый свет во все цвета радуги, окружающие большие, яркие объекты.

Вместе с этим открытием родилось решение: создать телескоп без использования линзы в качестве объектива. Это приводит нас к истокам Ньютоновского телескопа.

Развитие Ньютоновского Телескопа

При создании своего первого отражающего телескопа, Ньютон решил заменить первичную линзу металлическим зеркалом, сделанным из сплава олова с медью (бронза). Выбирая форму зеркала для объектива, он остановился на сферической форме, для того чтобы максимально упростить конструкцию телескопа.

В своем рефлекторе, Ньютон добавил еще вторичное, диагонально расположенное зеркало. Данный компонент расположен вблизи фокуса первичного зеркала таким образом, чтобы отразить изображение под углом в 90° в окуляр, находящийся на боковой стенке телескопа. Такая конструкция элемента особенно важна, так как позволяет рассматривать изображение с наименьшим перекрытием пучка, падающего на объективное зеркало.

Дубликат Ньютоновского телескопа.
Фотография дубликата второго отражающего телескопа, созданного Ньютоном и представленного Royal Society of London (Королевскому Обществу в Лондоне) в 1672. (“NewtonsTelescopeReplica” by Solipsist (Andrew Dunn). Licensed under Creative Commons Attribution Share-Alike 2.0, via Wikimedia Commons).

Помимо отсутствия хроматических искажений, оптическое устройство позволило также Ньютону увидеть четыре Галилеевских спутника Юпитера и фазы полумесяца Венеры. Несмотря на то, что устройство произвело неизгладимое впечатление на членов Лондонского Королевского Общества, отражающий телескоп не получил широкого распространения, в первую очередь из-за конструкционных трудностей, которые простираются от сложности в изготовлении рефлектора требуемой формы до быстрой потери поверхностью своей отражающей способности из-за окисления.

Воспроизводя конструкцию Ньютона, Джон Хэдли (John Hadley) представил улучшенную версию телескопа Королевскому Обществу в 1721. В новой версии были решены несколько вопросов, связанных с созданием параболических зеркал.

Преимущества Конструкции

Кроме устранения хроматических аберраций, можно отметить множество других преимуществ в конструкции Ньютоновского телескопа. В этой конструкции значительно легче добиться малых значений диафрагменного числа, что приводит к более широкому полю зрения.

Кроме этого, в общем, изготовление телескопа стало проще, так как требуется отшлифовать и отполировать только одну поверхность довольно сложной формы. В сравнении со своим преломляющим аналогом, отражающий телескоп оказался экономически гораздо более выгодным для производства.

Моделирование Распространения Лучей Неполяризованного Света

От отслеживания истоков возникновения отражающих телескопов к отслеживанию траекторий лучей в них — переместим теперь фокус нашего внимания на моделирование распространения лучей света в системе Ньютоновского телескопа. Это явление может быть проанализировано в рамках Модели Ньютоновского телескопа в новом Модуле Геометрической Оптики, среды COMSOL Multiphysics версии 5.0.

В этом примере, модель телескопа состоит из двух зеркал — первичного сферического зеркала и вторичного плоского — и линзы эллипсоидальной формы. Вторичное зеркало образует угол 45° с лучами отраженными от первичного зеркала. Свет, направленный на эллипсоидальную линзу вторичным зеркалом, формирует изображения объектов в фокальной плоскости. При этом, учитываются только те лучи из подмножества точек на входной апертуре телескопа, которые не экранируются вторичным зеркалом.

Модель, демонстрирующая траектории лучей иинтенсивность.
Траектории и интенсивность лучей при распространении их в оптической схеме телескопа.

Для визуализации степени совершенства оптической системы, в этом исследовании используется точечная диаграмма. Этот график показывает точки в плоскости изображения, в которые попадают лучи испущенные из входной апертуры телескопа. Как правило, в качественно сделанной конструкции точки должны появляться внутри окружности, соответствующей центральному дифракционному пятну от апертуры оптической системы.

Точечная диаграмма использует цветовой контраст для обозначения соотношения между интенсивностью луча в плоскости изображения и первоначальной интенсивностью. Как показано на диаграмме ниже, лучи попадающие в фокальную плоскость имеют интенсивность, которая изменяется в диапазоне от 65.3 до 88.8 раз больше первоначальной интенсивности падающих на апертуру лучей.

Диаграмма, показывающая соотношение между интенсивностью луча и начальной интенсивностью.
Точечная диаграмма, подчеркивающая соотношение между интенсивностью луча и начальной интенсивностью. Отметим, что точки на диаграмме располагаются симметрично возле оси x, но не относительно оси y. Это связано с тем, что ось x лежит в плоскости симметрии телескопа.

Последующие Шаги


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта