תפריט הפורומים
 
  דף קהילה
  מאמרי הקהילה
  מאמרים ברשת
  אתרים מומלצים
  גלריית תמונות
  לוח הפורום


מאמרי קהילה

טלסקופים - עקרונות פעולה
    
מאמר מצויין של נועם לוי הכולל הסברים מפורטים על אודות סוגי טלסקופים שונים. מומלץ לכל מי שסקרן לדעת על אודות ההבדל בין קסגריין לניוטוני ובין עדשות למראות



מאמר זה בא לסכם ולהסביר את עקרונות העבודה של טלסקופים, וההבדלים בין עיצוב אופטי אחד למשנהו. אין הוא ממליץ על בחירה של טלסקופ זה או אחר, אלה רק להסביר את ההבדלים וניסיון להדגיש יתרונות וחסרונות של כל אחד מהדגמים. יש לציין גם שאין "דגם מנצח" בטלסקופים ואף פעם לא היה, והצטיינות של טלסקופ תלויה הרבה באיכות הביצוע של המוצר הספיציפי ולא רק באיכות המודל הכללי.

עקרון הטלסקופ מבוסס על עדשות ומראות מרכזות ומפזרות. כל העדשות והמראות עובדת על אותו עקרון בדיוק: לעדשה/מראה יש ציר אופטי. לעדשה יש שתי נקודות מוקד על הציר האופטי, במרחק זהה ממרכז העדשה ובמקומות הפוכים (מרחק נקודת המוקד ממרכז העדשה נקרא אורך המוקד). למראה יש נקודת מוקד אחת. עבור מראה מרכזת נקודה זו נמצאת מול המראה, ואילו במראה מפזרת היא נמצאת מאחורי המראה.



בעדשה מרכזת, כל קרן המקבילה לציר האופטי תוסט ככה שהיא תעבור במוקד העדשה. כל הקרן העוברת דרך מוקד העדשה תוסט כך שהיא תעבור במקביל לציר האופטי.
בעדשה מפזרת, כל קרן המקבילה לציר האופטי תוסט כאילו יצאה מנקודת המוקד של העדשה. כל קרן המגיע אל העדשה בכיוון שפוגש את נקודת המוקד של העדשה, תוסט במקביל לציר האופטי.

במראה מרכזת, כל קרן המקבילה לציר האופטי תוחזר כך שתעבור במוקד המראה. כל קרן העוברת במוקד המראה תוחזר במקביל לציר האופטי.
במראה מפזרת, כל קרן הקבילה לציר האופטי תוחזר כאילו יצאה מנקודת המוקד של המראה. כל קרן המכוונת אל עבר מוקד המראה תוחזר במקביל לציר האופטי.

המודל היסודי - טלסקופ שובר אור אידאלי
-------------------------------------
מודל בסיסי של טלסקופ מוסבר באיור מס` 2.



שתי עדשות מרכזות מורכבות ככה שהציר האופטי שלהן מקביל (הציר האופטי המשותף מסומן בירוק). העדשה הימנית, הגדולה יותר (תקרא מכאן העצמית, אובייקטיב בלעז) היא בעלת אורך מוקד גדול יותר ושתי נקודות המוקד שלה מסומנות. העדשה הקטנה יותר, השמאלית (תקרא מכאן העינית, אוקולר בלעז) היא בעלת אורך מוקד קצר. מסדרים את העדשות כך ששתיים מארבע נקודות המוקד מתלכדות (נקודת המוקד באמצע משותפת לשתי העדשות). נקודת המוקד הנוספת של העינית מסומנת משמאל.

עצם כלשהו בו אנו מעוניינים לצפות נמצא רחוק מהטלסקופ בצד ימין (מסומן בחץ כחול). נתבון בשתי קרניים המגיעות מראשו של החץ: קרן א` עוברת במקביל לציר האופטי, ולכן העצמית תסיט אותה לנקודת המוקד המשותפת. מאידך, עבור העינית היא הגיעה מנקודת המוקד, ולכן תוסט במקביל לציר האופטי לאחר המעבר בה. קרן ב` עוברת בנקודת המוקד של העצמית, ולכן מוסטת במקביל לציר האופטי. מכאן שכאשר היא תפגע בעינית היא תוסט לנקודת המוקד שלה. במקום ששתי הקרניים האלו נפגשות תיווצר דמות של הקצה של החץ. ניתן לראות שהן נפגשות דווקא מאחורי העינית. שם נוצרת דמות הפוכה של האובייקט שעליו אנו צופים.

באיור 3 אנו בודקים, עבור צופה הנמצא קרוב מאוד לעינית, כיצד תראה הדמות ביחס לאובייקט המקורי. על מנת לבדוק זאת עלינו לבדוק מה הגודל של הדמות שיראה הצופה. הגודל של הדמות הוא פונקציה של המרחק ממנה והאורך האמיתי שלה, ומאידך הוא קשור ישירות לגודל הזווית שהאובייקט מכסה בשדה הראייה של הצופה. ניתן לראות כי הזווית שהתקבלה עבור הדמות גדולה יותר מהזווית המקורית. זוהי ההגדלה הזוויתית. ניתן להראות על ידי קשרים גאומטרים כי כאשר האובייקט רחוק מאוד מהטלסקופ, הזווית שתיצור דמות האובייקט תהיה גדולה יותר מזו של האובייקט כיחס אורכי המוקד של העצמית והעינית. לדוגמא, אם אורך המוקד של העצמית הוא 200 מ"מ ואורך המוקד של העינית הוא 20 מ"מ תתקבל הגדלה זוויתית של פי 10: הדמות תיצור זווית פי 10 יותר גדולה מאשר האובייקט המקורי.



תופעת לוואי מעניינת - ובעצם מה שגורם לטלסקופ להיות כל כך שימושי באסטרונומיה - היא תופעת איסוף האור. באיור 4 ניתן לראות כי אלומה של קרניים מקבילות (למשל - אור שמגיע מכוכב רחוק מגיע ככה שכל הקרניים מקבילות זו לזו) תרוכז כולה לתוך העין של הצופה, בזמן שבלי טלסקופ רק חלק קטן מהקרניים יכנס לעין של הצופה. הדבר אומר שהצופה יקלוט חלק יותר גדול מהאור שמגיע מהאובייקט ולכן האובייקט יראה יותר בהיר. ניתן לראות שכמות הקרניים שאפשר לאסוף לתוך העין תלויה אך ורק בקוטר של העצמית - ככל שהיא יותר גדולה, חלק גדול יותר מהאלומה ירוכז לתוך העין והאובייקט יראה יותר בהיר.


יחס המוקד של טלסקופ, הוא היחס בין אורך המוקד של העצמית של טלסקופ לבין קוטר העצמית. כלומר, טלסקופ שקוטר העצמית בו 60 מ"מ ואורך המוקד שלו 600 מ"מ יקרא טלסקופ עם "יחס מוקד 10" או בקיצור נהוג לסמן f/10. ליחס זה יש משמעות חשובה, משום שהמספר הזה מבטא את הזווית שבה נשברות הקרניים. נשים לב (איור 2) כי אורך המוקד של העצמית הוא המרחק האופקי שקרן עוברת בעוד שרדיוס העצמית הוא הגובה המקסימלי מעל הציר האופטי ממנו היא יכולה להכנס לטלסקופ. השיפוע הכי חד שהקרן יכולה לרדת בתוך הטלסקופ מוגדר על ידי היחס בין שני הגדלים האלו. כלומר: ככל שמספר ה f גדול יותר ככה הטלסקופ צריך לשבור את האור בזוויות יותר קטנות.

עיוותים - (אברציות)
-----------------
כתבתי למעלה "שובר אור אידאלי" ולא בכדי, משום שאין טלסקופ שמתפקד בצורה מושלמת.
ראשית כל, עדשות מסיטות אור על ידי עקרון השבירה. מי שלמד אופטיקה גאומטרית ודאי יזכור כי צבעים שונים נשברים בזוויות שונות, וכל עדשה מרגישה זאת על בשרה. כאשר קרן של אור לבן תפגע בעדשה היא תרכז כל צבע בנקודת מוקד אחרת, ולמעשה תשבור את האור לצבעיו השונים. זוהי אברציה כרומטית, או בתרגום חופשי "עיוות צבע". את הבעיה ניתן להרגיש כאשר מסתכלים דרך טלסקופ על כוכב בהיר ומסביבו רואים הילה צבעונית בצבע סגול, תוצאה של שבירה חזקה מדי של צבע זה. כדי לתקן תופעה זו הומצא שובר האור האכרומטי ומאוחר יותר האפוכרומטי, עליהם נרחיב בהמשך.

עיוות נוסף נקרא אברציה ספרית, או עיוות כדורי. זהו עיוות שנובע מכך שבצורה המסויימת שמייצרים עדשות/מראות הן לא בדיוק מרכזות את האור לנקודת מוקד אחת, אלה עושות זאת בקירוב טוב כאשר הזווית שהן צריכות לשבור את הקרן היא לא גדולה מדי. אם הזווית נהיית גדולה מדי הקרן לא תפגע בנקודת המוקד אלה קצת לפניה והתוצאה - דמות חדה במרכז העינית אך מטושטשת בקצותיה. כאן מתגלה חשיבותו של מספר המוקד, משום שככל שהוא גדול יותר ככה הטלסקופ פחות סובל מעיוות זה. גם כאן יש מספר עיצובים אופטים שמנסים לטפל בבעיה, ובהם ניגע בהמשך.

רוב ההבדל בין העיצובים האופטים השונים שנכסה בהמשך נובע מהניסיונות לתקן עיוותים בצורה היעילה ביותר/ הטובה ביותר.

עד כאן כיסינו את היסודות שמאחורי כל טלסקופ, בין אם זה משקפת שדה ובין אם זה טלסקופ החלל האבל. כעת ננסה לסקור בקצרה את העיצובים האופטים השונים, וכמה מיתרנותיהם וחסרונותיהם.

טלסקופ מחזיר אור
----------------
הסברנו איך עובד טלסקופ בסיסי, שובר אור. אבל הרבה טלסקופ אינם עובדים עם עדשות אלה דווקא עם מראות. אלו טלסקופים מחזירי אור.

טלסקופ ניוטוני מורכב ממראה מרכזת ועדשה מרכזת. המראה היא העצמית והעדשה היא העינית. העיצוב הבסיסי מודגם באיור 5.






בטלסקופ ניוטוני המראה שמתפקדת כעצמית נקראת המראה הראשית בעוד שהמראה הישרה הקטנה נקראת המראה המשנית. המראה המשנית לרוב תלויה על מוטות דקים המחברים אותה לדופן הטלסקופ. היא אמנם מסתירה חלק מאלומת האור אך היא אינה מפריעה לדמות שרואה הצופה משום שאינה בפוקוס.

טלסקופים ניוטונים לרוב עובדים עם מספרי f קטנים (כלומר: הם קצרים יותר)

היתרונות של טלסקופ ניוטוני הם בפשטות שלו. מראה מרכזת הרבה יותר קל לייצר מעדשה, וכל המנגנון הוא פשוט להפליא. דבר זה גורם לכך שטלסקופים ניוטונים הם הטלסקופים הזולים ביותר שקיימים. בנוסף, תקלות בטלסקופ נוטוני הן לרוב לא חמורות וניתנות לתיקון פשוט.

החסרונות של טלסקופ ניוטוני הן שהוא סובל הכי קשה מהאברציה הספרית הידועה לשמצה. בנוסף, כדי שטלסקופ ניוטוני יתפקד טוב נקודות המוקד של המראה הראשית והעינית חייבות להתלכד. דרישה זו נכונה לכל טלסקופ, אך בניוטוני יש את המראה המשנית שתלויה בדרך כלל על רגליים דקות מאוד. אם המראה המשנית לא מכוונת בזווית הנכונה נקודות המוקד לא יתלכדו והטלסקופ לא יעבוד כראוי. התהליך הזה של ישור אופטי בטלסקופ נקרא קולימציה, ובטלסקופ ניוטוני המשתמש נדרש לבדוק אותה מדי פעם ולבצע את התיקונים הנדרשים בעצמו. בנוסף, טלסקופ ניוטוני פתוח לאוויר ולכן המראה מתלכלכת ומדי פעם נדרש לפרקה מהטלסקופ ולנקותה.

שוברי אור
---------
העיצוב הנפוץ ביותר של טלסקופ שובר אור הוא הטלסקופ האכרומטי. זהו טלסקופ שכמעט זהה לטלסקופ שהוסבר בתחילת המאמר, עם הבדל אחד - העצמית אינה עדשה אחת, אלה שתי חתיכות של שני חומרים שונים שמורכבים יחד עם מרווח קטן ביניהם ומתפקדים בתור עדשה אחת. העיצוב הזה עוזר בלבטל חלק ניכר מהאברציה הכרומטית.

עיצוב חדשני יותר הוא העיצוב האפוכרומטי. כאן העצמית מורכבת מ 3-4 עדשות המצופות בחומרים מיוחדים ובכך מבטלים לחלוטין את האברציה הכרומטית.

שוברי אור הם באופן כללי הטלסקופים הכי יקרים שיש, ושוברי אור אפוכרומטים מגיעים למחירים "אסטרונומים"

שוברי אור אכרומטים עובדים במספרי f גבוהים מאוד, ואפוכרומטים במספרי f בינוניים.

יתרונות: לא צריך לבצע קולימציה אף פעם. לא צריך לפרק כדי לנקות. התמונה באופן כללי יותר איכותית. קל להגיע להגדלות גבוהות יותר בגלל מספר ה f הגדול.

חסרונות: אברציה כרומטית באכרומטים. טלסקופים גדולים מגיעים למחירים גבוהים מאוד. טלסקופים גדולים כבדים, ארוכים, מסורבלים וקשים לניוד.


טלסקופים קסגריאנים
------------------
טלסקופ קסגריאני הוא מחזיר אור מיוחד במינו. בטלסקופ כזה, במקום מראה משנית מותקנת מראה מפזרת. המראה הראשית ממקדת את האור לנקודת מוקד קצת אחרי המראה המשנית, אך המראה המשנית מעקבת את המיקוד שלו (מפזרת קצת את האלומה) ושולחת אותו חזרה לכיוון המראה הראשית. האלומה הממוקדת עוברת דרך חור קטן במראה הראשית ומאחורי המראה הראשית מותקנת העינית. עיצוב זה מודגם באיור 7. המרחק האפקטיבי שקרן עוברת עד שהיא פוגעת במוקד הוא גדול מאוד, משום שהיא עוברת הלוך וחזור וגם המוקד נמצא קצת מאחורי המראה. על ידי כך הדגם הקסגריאני מצליח לייצר אורך מוקד גדול מאוד בטלסקופ קצר מאוד.



יתרונות: קומפקטי וקל לנשיאה, עם מספר f גדול. פחות יקר משוברי אור.

חסרונות: עדיין סובל מאברציה ספרית. עדיין דרושה קולמציה. עדיין קיים צורך לנקות את המראה מדי פעם.


עדשות מתקנות
------------
כדי להלחם באברציה הספרית במחזירי אור הומצאו העדשות המתקנות. אלו הן עדשות מפזרות חלשות המתקנות את נתיב האלומה לפני הפגיעה במראה הראשית ועל ידי כך המראה הראשית ממקדת את כל האלומה נכון. ישנם שני סוגים נפוצים של עדשות מתקנות: עדשת שמידט ועדשת מקסוטוב. עדשת שמידט עשויה זכוכית דקה ויש לה משטח מורכב. היא קלה ליצור ולא שוקלת הרבה. עדשות מקסוטוב עשויה זכוכית עבה עם שני משטחים קעורים, קשה יותר ליצור וגם כבדה הרבה יותר.

עדשת מקסוטוב מתקנת יותר טוב וגם יקרה יותר.


טלסקופים משולבים - קטדיופטרים
-----------------------------
טלסקופ מחזיר אור בעל עדשה מתקנת נקרא טלסקופ משולב. שתי דוגמאות נתונות באיורים הבאים.









   

 
כל הזכויות שמורות © Nana10 בע"מ
Video powered by