Teleskop Cassegraina - przyrząd do badania wtórnego zwierciadełka

Hermes1937 · 15 Grudnia 2008

W jednym z numerów "Uranii" w 1974 roku ukazał się artykuł o ciekawym przyrządzie do badania wtórnego zwierciadełka stosowanego w teleskopie Cassegraina. Tutaj przybliżę układ Cassegraina (i ten przyrząd), korzystając przy tym z oryginalnych negatywów z 1973 roku, po ich zeskanowaniu i niezbędnych korektach komputerowych.

W II połowie XVII wieku trzech uczonych wymyśliło trzy układy optyczne teleskopów - James Gregory (w 1663 roku), Isaac Newton (1668) i Guillaume Cassegrain (1672). System Gregory'ego jest dziś rzadko spotykany, ale dwa pozostałe - są powszechne (nawet w teleskopach amatorskich). System Newtona jest prosty i najczęściej stosowany w teleskopach budowanych własnoręcznie. System Cassegraina dominuje w teleskopach profesjonalnych (stosowane są różne modyfikacje oryginalnego układu) - amatorzy budują teleskop w tym układzie znacznie rzadziej. Dlaczego ? - bo wykonanie optyki to "wyższa szkoła jazdy".

Przybliżę tutaj ten typ teleskopu oraz przedstawię przyrząd do badania wtórnego zwierciadełka, wykonany w Oddziale Warszawskim PTMA w 1973 roku.

Układ Newtona, oprócz stosunkowo prostej do wykonania optyki i wielu innych zalet ma także pewien mankament: teleskop musi mieć tubus tak długi, jak długa jest jego ogniskowa. Newton o ogniskowej 3 metry (i więcej) byłby bardzo niepraktyczny w transporcie, a i obserwacja obiektu znajdującego się blisko zenitu wymaga długiej drabiny... :ha:

Układ Cassegraina jest inny - są co prawda również dwa zwierciadła, ale system optyczny pozwala na znaczne skrócenie długości teleskopu. Niestety ceną wygody jest trudna do wykonania optyka.

W teleskopie Newtona zwierciadło główne może paraboloidą, w klasycznym Cassegrainie - musi. Na dodatek ma dużą światłosiłę (nawet F/4 i więcej). Już wykonanie zwierciadła o średnicy 15 cm i ogniskowej 60 cm wymaga dużego doświadczenia osoby wykonującej zwierciadło. Podczas badania zwierciadła metodą Foucaulta odchylenia na strefach rzędu 0.3 mm przy zwierciadle o małej światłosile (np. F/8) praktycznie nie wpłyną na dokładność optyczną (błędy będą rzędu 1/15 lambda i mniej), przy światłosile F/4 spowodują powstanie błędów 1/8 lambda i jeszcze gorzej. Należy wykonać zwierciadło z maksymalną dokładnością - odczyty nie powinny się różnić od teorii więcej niż 0.2 mm, a nawet 0.1 mm. Na dodatek zwierciadło o dużej światłosile niejako samoczynnie chce "przybrać" kształt sferyczny, a tu akurat odchylenia paraboloidy od sfery są duże... To nie wszystko - w zwierciadle należy wywiercić otwór w środku - oczywiście tak, aby nie tylko nie zniszczyć zwierciadła mechanicznie, ale i nie zmienić kształtu optycznego po tej czynności...

Ale to dopiero początek kłopotów....

Teraz trzeba wykonać zwierciadło wtórne (cassegrainowskie), które jest wypukłe, o kształcie hiperboloidalnym. Właśnie użycie wtórnego zwierciadełka wypukłego zmienia bieg promieni w teleskopie tak, że mimo krótkiego tubusu, teleskop może mieć długą ogniskową (identyczna zasada jak w teleobiektywach w fotografii). Zazwyczaj wydłużenie pierwotnej ogniskowej wynosi 3-4 razy, ale może być też większa krotność. W 1967 roku Lucjan Newelski z Oddziału PTMA w Warszawie wykonał teleskop Cassegraina o średnicy 15 cm i ogniskowej 240 cm, przy czym długość tubusu wynosiła niecałe 70 cm. Szlifowanie i polerowanie zwierciadełka o średnicy ok. 50 mm wymaga zręczności i "czucia" tak lekkiego przedmiotu. Ale jak badać kształt zwierciadełka, skoro metoda cieniowa pozwala badać zwierciadła wklęsłe, a nie wypukłe ?

Klasyczna metoda polega na wykonaniu pomocniczego zwierciadełka wklęsłego o tym samym mimośrodzie co później będzie mieć właściwe. W wyżej wymienionym teleskopie Oddziału PTMA wtórne zwierciadełko ma średnicę 44 mm, ogniskową = -187.5 mm i mimośród 1.67 - znacznie więcej niż paraboloida (e = 1.0). Po zakończeniu pracy nad tym pomocniczym zwierciadełkiem należy wypolerować teraz jego matrycę - to będzie właściwe cassegrainowskie, a następnie po zakończeniu polerowania figuryzować je, badając kształt przez porównywanie prążków interferencyjnych, które powstają po nałożeniu obu zwierciadełek na sobie. Analizując kształty tych prążków wyciągamy wniosek, jaki ma kształt nasze wtórne zwierciadełko i kontynuować figuryzację. Taka praca może trwać kilka tygodni, a nawet miesięcy...

Jak to uprościć ? - zbudować przyrząd podobny do opisanego w "Uranii" z 1974 roku, a którego konstruktorami byli Lucjan Newelski (i K. Badowski).

Jeśli skierujemy teleskop Cassegraina na prawdziwą gwiazdę, a w miejsce okularu umieścimy nóż Foucaulta, będziemy mieli nietypową modyfikację tej metody: zwierciadło główne będzie widoczne jako sferyczne tylko wtedy, kiedy oba zwierciadła teleskopu mają prawidłowy kształt. Ale ta metoda jest "nieco" niewygodna. Okazuje się, że jeśli teraz zastąpimy zwierciadło paraboloidalne - sferycznym, którego promień krzywizny będzie podobny do ogniskowej właściwego (paraboloidalnego), to otrzymamy niecodzienny przyrząd bardzo ułatwiający badanie wtórnego, hiperboloidalnego zwierciadełka:

Widok przyrządu do badania hiperboloidalnych zwierciadełek. (widok z tyłu)

Z lewej: Widok przyrządu z przodu. Z prawej: Zwierciadełko wtórne jest umocowane na ruchomej prowadnicy (sankach), pozwalającej na właściwe ustawienie w zależności od ogniskowej zwierciadełka.

Przy tym przyrządzie niepotrzebne są badania strefowe, dlatego nóż Foucaulta może mieć prostszą budowę.

Główne zwierciadło przyrządu jest sferyczne, przez co jego wykonanie jest wyjątkowo łatwe. W konkretnym przyrządzie zwierciadło o średnicy 250 mm wykonane jest z grubej - 40 mm - płyty szklanej, a promień krzywizny jest nieco mniejszy od 900 mm. Z tego powodu zwierciadło ma duże zagłębienie, wynoszące aż 9 mm !! Wyszlifowanie tego zagłębienia wymagało wielu godzin pracy. Dzięki położonej suwmiarce widać to dobrze na poniższej fotografii.

Ten przyrząd służy do wykonywania optyki cassegrainowskiej do teleskopów 250 mm (do wykonania przyrządu do badania zwierciadeł innych średnic trzeba wykonać analogiczny przyrząd, ale ze zwierciadłem o innej średnicy i innym promieniu krzywizny).

Ta metoda pozwala wykonać hiperboloidalne zwierciadełko do teleskopu Cassegraina bez potrzeby wcześniejszego wykonania pomocniczego wklęsłego zwierciadełka, nie ma trudnych pomiarów strefowych, nie ma badań interferencyjnych, a poza tym - można uzyskać większą dokładność (poniżej 1/10 lambda).