СЛОЖНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

КАМЕРА ШМИДТА

На протяжении всей истории телескопа высказывались идеи объединения достоинств линзы и зеркала в одном телескопе. Большая часть из них не прижилась. Здесь мы рассмотрим некоторые типы зеркально-линзовых систем, выдержавших испытание временем.

Увеличение относительного отверстия параболического рефлектора приводит к резкому уменьшению полезного поля зрения, так как при этом быстро растут кома и астигматизм. Кома и астигматизм возникают за счет асимметрии наклонных пучков. Если сохранить симметрию каждого пучка после его отражения относительно его оси, то кома и астигматизм просто не смогут возникнуть *).

Идея Шмидта заключалась в том, что он в центре кривизны сферического зеркала установил диафрагму несколько меньшего, чем зеркало, диаметра (рис. 77, а). Теперь каждый пучок, наклонно проходящий через диафрагму, падал на зеркало вдоль одной из его нормалей, а фокус отраженного пучка так же лежал на этой нормали. Дело выглядело так, как если бы любой участок зеркала был самостоятельным зеркалом, на котором происходит центральное отражение.

Нужно подчеркнуть, что именно удачное расположение диафрагмы и есть главное достоинство камеры Шмидта. Для того, чтобы устранить кому и астигматизм, больше ничего не нужно.

Чтобы не допустить виньетирования, диаметр зеркала должен быть больше диафрагмы на два диаметра поля зрения. Например, диаметр отверстия равен 100 мм, а диаметр

Рис. 77. Камера Шмидта: а — принцип действия, б — форма полировальника для ретуши пластины, в— наполировывание рельефа пластины, г — шлифовальник для нанесения более грубого рельефа, д — малый полировальник, е — юстировка кассеты камеры.

поля камеры равен 33 мм. Тогда главное зеркало должно иметь диаметр 166 мм. Если негатив не предназначен для фотометрирования, то виньетирование допустимо и диаметр зеркала может быть меньше, вплоть до диаметра, равного диафрагме. Легкое потемнение к краю будет совершенно незаметнo на глаз. Кстати, большинство фотографических объективов имеют гораздо большее виньетирование, чем такая камера.

Зеркало камеры сферическое и страдает от сферической аберрации. Снизить ее величину можно, уменьшив относительное

Таблица 19 Параметры камеры Шмидта без корректора

отверстие камеры. Если кружок рассеяния фотоэмульсии принять равным 0,05 мм, то предельное относительное отверстие камеры можно вычислить по формуле

.

Здесь D —диаметр диафрагмы, а " —отношение фокусного расстояния камеры к диаметру диафрагмы.

Табл. 19 иллюстрирует, как изменяются параметры этой простейшей камеры Шмидта в зависимости от действующего отверстия (диаметра диафрагмы).

Желание получить большое относительное отверстие заставило Шмидта искать другой путь в устранении сферической аберрации. Для этого он в центре кривизны зеркала (в диафрагме) установил корректор, который представляет собой практичски плоско-параллельную пластину с едва заметным рельефом. На краях пластина Шмидта слегка отрицательна, а в центре — положительна. Будучи установленной в центре кривизны зеркала, она является корректором для любого наклонного пучка.

Необычная форма корректора Шмидта долгое время отпугивала профессиональных оптиков. Поэтому первыми строителями камер Шмидта после самого Шмидта были любители. Есть два принципиальных способа получить желаемый рельеф. Во-первых с помощью вакуума пластина деформируется и затем шлифуется и полируется до слабой сферы. После снятия вакуума пластина принимает нужную форму. Вакуумный метод использовался самим Шмидтом для первых двух его камер. Хотя этот метод в Новосибирском клубе освоен Л. Р. Миронюком, все-таки для большинства любителей он представляется довольно трудным.

Гораздо проще нанести необходимый рельеф ретушью. Так делают корректор практически все. В 1982 г. автор ретушировал таким образом пластину для камеры, построенной в 1976 г. школьниками В. Семиным и Е. Бакшанским. Прежде она работала без пластины, имела 165-миллиметровое зеркало и 100-миллиметровую диафрагму при фокусном расстоянии 384 мм. Сейчас благодаря введению пластины она при том же зеркале имеет отверстие 140 мм. Относительное отверстие возросло с 1/3,8 до 1/2,75. Диаметры звездных изображений остались прежними, 0,03 мм.

Асферичность пластины Шмидта равна

,

где D — диаметр пластины, А — относительное отверстие камеры, n — показатель преломления стекла коррекционной пластины. Для стекла типа К8 пластина имеет асферичность 6,3 мкм. Это в 4 раза больше того, что нужно получить на параболоиде того же диаметра и того же относительного отверстия, что и камера Шмидта. Но точность поверхности в этом случае в 4 раза меньше, а это тоже очень важно. К тому же асферичность можно распределить по обеим поверхностям, тогда асферичность нашей пластины станет по 3,2 мкм. Именно так и поступил автор.

Сначала была отшлифована плоско-параллельная пластина. Измерение по краю проводились микрометром с точностью до 2—3 мкм. Если один из краев оказывался толще, планшайба для поводка приклеивалась ближе к этому краю. Еще проще приклеить планшайбу большого диаметра с многими отверстиями для поводка; при обнаружении косины поводок переставляется в отверстие ближе к толстому краю. Толщина пластины не имеет большого значения, и можно не бояться “проскочить” при шлифовке.

После завершения тонкой шлифовки пластина полируется, и только после этого начинается ретушь. Чтобы ее упростить, во время полировки нужно получить достаточно хорошие плоскости с обеих сторон. Нужно бояться зональных ошибок, тогда как общая небольшая кривизна не страшна.

Для ретуши делается полировальник “ромашка” (рис. 77, б). Максимальная площадь полировальника на зоне 70% . Крайне важно, чтобы поверхность полировальника была однородной без ямок от пузырьков воздуха, сколов смолы и т. п., так как в этом случае немедленно наполируются “зоны”. Отполированная пластина 2 устанавливается на шпинделе 3 машины (рис. 77, в). Она должна быть хорошо центрирована, чтобы биение было не более 1—1,5 мм. С помощью боковых упоров пластина фиксируется, чтобы во время обработки она не вращалась. Под нижнюю поверхность нужно положить мягкий материал вроде картона.

Полировальник 1 устанавливается сверху. Во время обработки он не вращается. Для этого небольшой винт на его верхней поверхности привязывается к неподвижной части машины с помощью шнурка. Чтобы неизбежные в данном, случае зональные ошибки растушевывались, поводку придается небольшое качание — на 1—2 см. Пластина вращается, полировальник качается, но не вращается.

Ретушь начинают с небольшим грузом на полировальнике. Через 30 мин испытывают пластину. Если наполирование “рельефа” идет слишком медленно, груз можно увеличить. В случае со 140-миллиметровой пластиной с грузом около 8 кг через 3 часа на одной из поверхностей был наполирован рельеф в 60 % от расчетной асферичности. После этого пластина была перевернута и полировка продолжена.

Испытания проводились с 250-миллиметровым параболическим коллиматором — рефлектором Ньютона (см. рис. 114). В фокусе камеры была установлена лампа карманного фонаря, обернутая фольгой с небольшим (примерно 0,01 мм) отверстием. В ньютоновском фокусе коллиматора устанавливался нож или окуляр. До внесения пластины на ее место в собранной схеме хорошо был виден сильный “подвернутый край”, а с окуляром очень большой ореол вокруг точки. Нужно помнить, что если фокусное расстояние коллиматора больше фокусного расстояния камеры Шмидта, то пятно ореола и другие подробности изображения точки (как и любой другой миры) будут увеличены. В нашем случае фокусное расстояние коллиматора было 1500 мм, а фокусное расстояние камеры 384 мм. Поэтому ореол сферической аберрации был примерно в 4 раза больше. Это значит, что и чувствительность окулярной пробы в 4 раза выше.

Через три часа ретуши пластина была внесена в пучок света. Держа ее прямо в руках, автор наблюдал в окуляр, как ореол сразу уменьшился примерно на 60 % , а при наблюдении с ножом Фуко примерно во столько же уменьшилась “холмистость подвернутого края”. Еще после двух часов ретуши с обратной стороны пластины рельеф стал практически совершенно плоским, а ореол сферической аберрации исчез.

При относительных отверстиях около 1/2,5—1/3 наклоны пластины к оптической оси на несколько градусов практически не сказываются ни на теневой картине, ни на изображении точки, так же как и при смещении пластины на несколько миллиметров с оси. В этом легко убедиться во время испытаний.

Если относительное отверстие камеры велико, например 1/2 и более, то “ромашка” может оказаться неэффективной, так как из-за малой текучести смолы полировальник не будет поспевать за рельефом и станет его сполировывать в сторону плоскости. В этих случаях приходится рельеф нашлифовывать перед полировкой. Для этого нужен инструмент, изображенный на рис. 80, г. Это три пластины из тонкой латуни или бронзы в виде секторов по 120°, укрепленных на планшайбе винтами. На концах выступов приклеиваются стеклянные прямоугольники, которые и ведут шлифовку. Средний диаметр “венчика” из квадратов составляет 0,707 диаметра пластины. Концы предварительно изгибаются так, чтобы в рабочем положении центр инструмента не касался пластины. Размах должен быть таким, чтобы край инструмента подходил к краю пластины [28].

В этом случае довольно быстро на зоне 0,7 образуется плавная “канава”. Для того, чтобы контролировать ее величину, воспользуемся коллиматором и решеткой Ронки. Чтобы сделать на время испытаний пластину прозрачной, после сеанса шлифовки грубо полируем ее крокусом или полиритом на фетре, сукне или плотной резине полировальником, немного меньшим полного диаметра. Достаточно того, чтобы пластина стала немного прозрачной, чтобы во время испытаний можно было следить за формой теней решетки Ронки. Нож Фуко в данном случае не годится, так как неравномерная прозрачность пластины будет накладываться на теневой рельеф. Кроме того, на этой стадии обработки пластина слишком груба, а метод Фуко слишком чувствителен.

Полировка ведется тем же инструментом. Вместо стеклянных квадратов приклеиваются смоляные. Иногда приходится пользоваться малыми полировальниками в виде лодочки (рис. 77, д).

Ближе к концу фигуризации пластина обязательно устанавливается в оправу и испытания ведутся более тщательно. После завершения фигуризации зеркало и пластина камеры юстируются. В центре пластины наносят метку. Так как пластина расположена на удвоенном фокусном расстоянии, изображение этой метки расположится в той же плоскости, что и пластина. Задача мастера—совместить метку с ее изображением. Для этого рассматриваем пластину с меткой с расстояния 25—30 см. Наклонами зеркала в оправе совмещаем изображение метки с самой меткой.

Добившись этого, смещаем глаз с оси вправо и влево. Если изображение метки смещается в ту же сторону, в которую смещается глаз, то оно расположено позади пластины

Рис. 78. Конструкция камеры Шмидта (а) и ее кассетодержателя(б): 1 — сферическое главное зеркало, 2 — корректор Шмидта в оправе, 3 — кассета, 4 — фокусировочная ручка, 5 — фокусировочная трубка, б—призма полного внугреннего отражения, 7 — искривленная пленка на дне кассеты, 8— кассета, 9— прижимное кольцо, 10 — крышка кассеты, 11— магнитное кольцо, 12 — юстируемая пластина, 13 — котировочные винты, 14 — пружина, 15 — подвижная часть фокусировочного устройства, 16 — кассетодержатель, 17 — штифт, двигающийся в пазу цилиндра 16.

(дальше от глаза). Если изображение смещается в противоположную сторону от глаза, оно впереди пластины. В обоих случаях меняем расстояние между зеркалом и пластиной, пока метка и изображение не будут оставаться неподвижными относительно друг друга.

Только после этого устанавливаем на место кассетодержатель между пластиной и зеркалом (рис. 78, а). Фокальная плоскость лежит точно посередине, и здесь должна располагаться вершина выпуклого дна кассеты. Рассматривая камеру через пластину с расстояния в одно-два фокусных расстояния, убеждаемся в том, что отражение кассеты в зеркале остается концентричным по отношению к краю зеркала. В противном случае кассета должна быть смещена поперек оси камеры.

Так как фокальная поверхность камеры лежит внутри трубы, ее кассета отличается от обычных кассет. Во-первых, кассета проецируется на зеркало и заслоняет собой часть его поверхности. Дифракционная картина в камере Шмидта “тонет” в грубом эмульсионном слое, и поэтому без вреда для качества изображения точки можно заслонить до 40% диаметра пучка.

Фокальная поверхность камеры искривлена и представляет собой сферу радиуса, равного фокусному расстоянию камеры. Она обращена выпуклой стороной к зеркалу. Поэтому дно кассеты делают выпуклым.

С целью экономии площади кадра кассету приходится делать круглой. Дно кассеты можно выточить подобно ступенчатому шлифовальнику, а потом обработать напильником и шкуркой до сферы. Конструкция кассеты и кассетодержателя видна на рис. 78, б. Кусок фотографической пленки 7 вырубается пуансоном. Рулонная или листовая пленка кладется на кусок мягкой пластмассы, на нее устанавливается пуансон с острыми краями и со сферическим верхом. Радиус этой сферы равен высоте пуансона. Это нужно для того, чтобы при ударе не по центру равнодействующая прошла через центр основания пуансона.

Вырубленный кусок вставляется в кассету и прижимается пружинящим кольцом 9. После этого кассета закрывается круглой крышкой 10.

Кассетодержатель 16 устанавливается в центре трубы камеры на ее оси с помощью четырех растяжек. В центральный цилиндр держателя входит фланец 15 с тремя юстировочными винтами 13. Центральное отверстие фланца имеет резьбу, в которую ввинчивается фокусировочный винт 4. При правостороннем вращении винт втягивает фланец внутрь цилиндра, а при левостороннем вращении возвратная пружина 14 выталкивает фланец. Для того, чтобы предотвратить вращение фланца, он имеет винт-штифт 17, который движется вдоль паза в центральном цилиндре.

Юстировочные винты 13 удерживают пластину 12 с сильным магнитом 11. Между этой пластиной и фланцем сильная возвратная пружина 14. Три юстировочных винта нужны для установки пластины с магнитом строго перпендикулярно оси камеры.

Кассета камеры алюминиевая, но ее дно стальное. Это нужно для простой и надежной установки кассеты с помощью кольцевого магнита.

Для наблюдений за объектом во время фокусировки в центре зеркала 1 имеется отверстие для небольшой зрительной трубки 5, сфокусированной на дно кассеты. Для фокусирования в кассету вставляется кусок засвеченной пленки и наблюдатель, глядя в трубку с призмой 6, с помощью фокусировочного устройства добивается резкости изображения. Для этих целей вполне годятся звезды 0—1^m. Эту зрительную трубу можно установить и на краю трубы под углом к оси. Фокусировка становится менее удобной, но не нужно сверлить зеркало.

Для установки кассеты перпендикулярно оси в нее вставляют кусок немятого алюминированного полиэтилена, применяемого для защиты от солнечных лучей. Этот кусочек вырубается с помощью пуансона. На самом краю коррекционной пластины устанавливается лампочка карманного фонаря, касающаяся поверхности (рис. 77, е). Ее свет отражается от края зеркала камеры, от центра алюминированного полиэтилена, снова от края зеркала и попадает на противоположный край пластины. Наблюдая за положением отражения лампы на этом краю зеркала, наклоняем кассету котировочными винтами 13 до тех пор, пока отражение лампы не будет видно на краю пластины. В этот момент кассета установлена перпендикулярно оси. Окончательная юстировка камеры делается по звездам в результате многократных пробных снимков.

ѕ

*)См. также [1, с.262; 2, с.326; 5, с.197].