Landsberg-1985-T3

Труба телескопа служит для защиты зеркала от посторон­

него света.

Посмотрим прежде всего, что дает телескоп при наблю­ дении в него сравнительно близких небесных тел, наПрI!мер планет. Угол зрения, под которым видны планеты невоору­ женны:\! глззоЛ1, очень мал. Нзпрнмер, планету Марс, I!мею­ щую диаметр 6800 км и находящуюся от Земли в наиболее

БЛЗГОПРИЯТ!!О~1 случае Н3 расстоянии 5,5 ·107 км, мы видим

PI!C. 257. Cxe:.ra зеркального те.1€скопа (реф.1ектора)

под угло:\! всего 25". При столь ~!ало.\1 угле зрения она пред­

стзвляется НЗ",I светящеiiся т о ч !, О Й. При наб,lюдении в

телескоп угол зрения, под катары),! ~!ы ВИДИ",I эту планету,

:шачительно увеличивается, и она предстаК'Iяется на:-.! уже Д и с к о :-'1, на котара:..! чожно различить некоторые детали.

Например, при 75-крзтно:,,! увеличении телескопз Марс бу­

дет виден под угла:..! 31';это тот угол, под катары:'>! мы ви­

дим Солнце невооруженны:\! глаза:..!.

Звезды находятся от нас так да,lеко, что при I!зБЛЮi\С'

нии их даже в caYIЫe большие телескопы не удзется pa:,.lH-

чить на них детали; звезды продолжают кззаться т о ч к а­

м и, несмотря на то, что некоторые из них во ~IНOгO р33 пре­

вышают по своим размерам Солнце. Польза от прю!енеНIIЯ

телескопа в этом случае заключается в том, что огро),!нос по сравнению со зрачком глаза поперечное сечение зеркалз

перехватывает гораздо б о л ь ш е с в е т а от каждой

звезды, чем это может сделзть невооруженный глаз. Поэто­

му в телескоп можно вести наблюдения над такими слзбы­ ми звездами, которые не могут быть даже замечены невоору­

женным глазом. (Этот вопрос будет разъяснен подробнее в

следующем параграфе.)

Далее, хотя телескоп и дает изображения звезд в виде

точек, но он «раздвигает» эти точки, а это позволяет вести

разнообразные наблюдения и над такими звезл.зми, которые

кажутся слитными человеческому глазу. Другими словами,

разрешающая способность телескопз во много ра:, превышз­

ет разрешающую способность глазз. 06 этом также будет

идти речь ниже, в глзве о дифракции.

305

Возможности наблюдения, которые дает каждый теле­ скоп, опреде,1ЯЮТСЯ диаметром его отверстия. ПОЭТО'.1У с

давних ВРе:\lен научно-техническая '.IЫСЛЬ направлена на

отысканпе способов изготовления больших зеркал и объ­ ективов. Сейчас уже изготовляют пятиметровые зеркала.

Отливка н особенно полировка cTelma, а также серебрение

такого зеркала представ.'1ЯЮТ серьезную технологическую

задачу.

С постройкой каждого нового телескопа р а с ш и р я­

ется радиус наблюдаемой нами част![

В с е л е н н о й и возрастают возможности изучения не­ бесных тел. Например, те,1ескоп, диаметр которого равен

10 см, дает воз~южность обнаружllТЬ на Луне трещины ши­

риной около 40 1\1 И «(каналы» на Марсе шириной 5 км; те­ лескоп диаметро'.! 5 \1 позволяет обнаружить «канавы» на Луне шириной :'1енее 1 м и «каналы» на Марсе шириной около

100 м. (Практически разрешающая способность телескопов

несколько меньше вследствие искажений, вносимых воздуш­

ными потоками и несовершенством оптики телескопа.) По­

этому все трудности усовершенствования и постройки

телескопов настойчиво преодолеваются астрономами и инже­ нерами *).

При анализе работы телеСI(Qпа необходимо поставить вопрос не только о размерах даваемых им изображений и о

его светосиле, но надо также рассмотреть вопрос и о к а­

ч е с т в е и з о б Р а ж е н и я. Телескопы должны давать высокое качество изображения, т. е. оптическая система телескопа не должна обладать сферической и хроматической

согласованную одна с другой, быть тщательно отшлифова­ ны, отполированы н т. п. При крупных размерах оптических

деталей телескопа «исправление» его системы представляет

большие трудности. Для устранения аберраций в оптиче­

скую систему телескопа вводятся дополнительные линзы и зеркала, что значительно усложняет конструкцию и лишь

частично улучшает изображение.

Другой путь улучшения телескопов состоит в то,,!, что поверхности зеркала придают не сферическую фОР~1У, а

*) Значите.%ное У.'1учшение УLЛОВиi\ ра60ТЫ телескопов достигается при установке их на и~кусственr,ых спутниках Земли. При этом так­ же существенно расшир яется доступный для изучения спектральный

интервал электромагнитного излучения космических те,1 - от далекой

инфракрасной до рентгеновской 06.'I3СТИ,

за!.

форму параболоида вращения. Пр" примененип парабо­

лического зеркала значительно у:\!еньшается влпяние Сфе­

рической аберраЦИII, но I13ГОТОВЛЯТЬ параболические зер­

кала гораздо труднее, чем сферические.

Рис. 258. 2,6-метровый реф.1ектор Крыжкоir астрофизпческоil: обсер­

ватории АН СССР

Зеркальный телескоп. рефлектор (рис. 258), обладает по сравнению с рефрактором тем препмуществом, что он не имеет хроматической аберрации. Изготовить зеркало также легче. чем объектив: требования к о Д н о р о Д н о с т и

с т е к л а, идущего для изготовления зеркала, предъяв­

ляются менее строгие, так как свет через него не проходит -

307

оно является всего лишь основанием, на которое наносится

отражающий слой. По этим причинам самый большой из

существующих сейчас телескопов является зеркальным, его

диаметр равен 6 м. Диаметр самого большого в настоящее

время рефрактора равен 1м (при длине трубы в 21 м). Зер­

кальный телескоп при том же диаметре 1 м должен иметь

длину всего 6 м. Благодаря этому конструкция зеркального

телескопа более проста. Однако требования к точности из­

готовления п о в е р х н о с т и з е р к а л а предъявля­

ются более высокие, чем при изготовлении поверхности объ­

ектива. Вместе с тем зеркала более чувствительны к проги­ бам, чем линзы. Такие прогибы появляются из-за действия

ная конструкциятелескопа бы­

ла предложена в 1941 г. советским ученым Д. Д. Максутовым. В т е л е с к о п е М а к с у т о в а объектив представляет

собой с о ч е т а н и е п о л о ж и т е л ь н о г о м е н и с­

к а (см. § 90) и з е р к а л а. Положительный мениск мо­

жет быть очень хорошо исправлен в отношении хроматиче­ ской аберрации, но обладает при этом сферической аберра­

цией. Последняя компенсируется благодаря тому, что lJ

систему входит сферическое зеркало, дающее равную

по величине и противоположную по знаку сферическую аберрацию. Так как зеркало не обладает хроматической

аберрацией, то получается система, не имеющая практически

ни сферической, ни хроматической аберрации.

На рис. 259 изображена простейшая схемателескопаМак­

сутова. Параллельный пучок лучей в этом телескопе, прой­ дя через мениск 1 и отразившись в вогнутом зеркале 2, дает в фокусе F изображение, не искаженное ни хроматиче­ ской, ни сферической аберрациями. Для удобства наблю­ дения пучок лучей поворачивается плоским зеркалом 3.

Изображение в Р' рассматривается с помощью окуляра 4.

§ 120. Яркость изображения для протяженных и точеч­

ных источников. Для правильного понимания действия' оптических приборов, предназначенных для работы СОВ-

308

местно с глазом, необходимо учитывать особенности строе­ ния глаза. Мы уже указывали в § 113, что сетчатая оболоч­

ка глаза состоит из отдельных светочувствительных элемен­

тов, каждый из которых реагирует на попадающий на него свет независимо от других элементов. При увеличении ос­ вещенной поверхности сетчатки лишь большее число ее

элементов участвует в восприятии света, но световое раз­

падающим на единицу ее поверхности. В этом смысле глаз подобен фотоаппарату, где почернение в данном месте пла­

стинки зависит от о с в е Щ е н н о с т и изображения в этом месте и не зависит от размеров всего изображения.

Объекты с одинаковой я р к о с т ь ю, расположенные

одинаково яркими, хотя они удалены от нас на разное рас­

стояние. Для пояснения напомним, что хотя с увеличением

расстояния до источника уменьшается световой поток, попа­ дающий в глаз, однако во столько же раз уменьшается и

площадь изображения этого источника на сетчатке. Поэто­

му освещенность изображения на сетчатке, равная о т н о - ш е н и ю вышеупомянутых величин, остается неизменной.

Но именно освещенность сетчатки определяет световое ощу­

щение, которое, как мы видим, остается неизменным при

удалении источника. (Конечно, при этом предполагается,

что атмосфера вполне прозрачна и удаление источника не сопровождается возрастающим поглощением света.)

Световой поток, поступающий в глаз, может в известных пределах (в 10-15 раз) регулироваться благодаря способ­ ности зрачка расширяться и сужаться. В условиях яркого освещения зрачок уменьшается до 2-3 мм и освещенность на сетчатке падает; наоборот, в условиях слабого освещения

зрачок увеличивается до своего максимального размера

(7-8 мм) и освещенность изображения возрастает.

В тех случаях, когда для наблюдения используется тот

или иной оптический прибор (лупа, микроскоп, зрительная

труба), глаз непосредственно рассматривает не сам предмет,

аего изображение в приборе. Яркость изображения п р о­

тя ж е н н о г о предмета, как мы знаем (см. § 109), равна яркости самого предмета, если можно пренебречь потерей света в приборе. При больших потерях за счет поглощения

и отражения света преломляющими поверхностями.яркость

309

изображения соответственно снижается. Следовательно,

при рассматриI33Н!Ш ПРОТ51женных объектов с помощью

прибора мы во всяком случае I! е пол у ч а е:\1 в ы и г р ы­

ш а в я р к о с т!! по сравнению с те\/ случаем, когдз

пре;щет рассматривается невооруженным глазом.

Существенно другие результаты получаются, если на­ блюдается т о ч е ч н ы й источник света, например звезда. С ТОЧКИ зрения вопроса о яркости точечным источником яв­ ляется ВСЯКИЙ источник, который настолько мал, что глаз

видит его под углом зрения, не большим 1', в условиях

нормального освещения. Пр!! рассмаТРИI3ании точечного источника все его изображение попадает на о Д и н с в е т о·

ч у в с т в и т е л ь н ы й э л е м е н т сетчатки. На этот единственный элемент падает весь световой поток, попадаю­ щий в глаз. Поэтому в случае точечного источника световое

ощущение определяется СУМ'\lарным световым потоком, попадающим в глаз, а не освещенностью сетчатки, как это

имеет место при протяженно~! источнике. В соответствии с

этим яркость изображения точечного источника будет оп­

ределяться суммарной величиной поступающего в глаз

Рис. 260. Световой поток, попадающий в глаз, при использовании теле­

скопа значительно увеличивается

в тех случаях, когда источник рассматриваетс>! невоору­

женным Г.1азо",[, световой ПОТОК пропорционален п л о Щ а·

Д и з р а ч к а глаза (рис. 260, а). Если же источник рас­

сматривается с помощью, например, зрительной трубы, то световой поток, попадающий в объектив трубы и далее Б

глаз наблюдателя (рис. 260, 6), пропорционален п л о Щ а­

Д и о б ъ е к т!! В а. Благодаря этому яркость изображе­

ния возрастает пропорционально отношению квадратов

310

'диаметров объектива прибора и зраЧJ<а глаза *). Например,

при наблюдениях с помощью телескопа. I1меющего диаметр

объектива 60 см, полагая дпаметр зрачка глаза равным 6 мм,

получаем увеЛllчение видимой яркости звезд в 10 000 раз. Замечательно. что я Р к о с т ь Ф о н а н е б а, как о б ъ­ е к т а про т я ж е н н о г о. при наблюдении в телескоп

ие увеЛllчивается, т. е. контрастность изображения значи­

тельно возрастает. Благодаря это!v!у при рассматривании

в телескоп з в е з Д ы в JI Д Н Ы Д а ж е Д н е м.

Таким образом, в противоположность случаю наблюде­

ния протяженных источников оптические приборы очень

сильно повышают возможность видения слабых т о ч е ч­

н ы х источников света. Именно этими причинами объясня­

ется то, что мощные телескопы, имеющие несколько метров

в поперечнике, позволяют видеть звезды в десятки тысяч

раз более слабые, чем ВlЦIlТ невооруженный глаз.

§ 121. «Ночезрительная труба» Ломоносова. Хотя яркость изображения

протяженного источника при JlСПО.'IЬ30вании зритедьной трубы и не по­ вышается, возможность распознавания дета.'1еЙ слабо освещенных пред­

метоВ при это:'.! возрастает. Этот факт был установден впервые русским

ученым, основоположником русской наУКII и приборостроения М. В. Ло­ моносовым (1711-1765), который сконструирова.'I «ночезрительную

трубу», пре,:щазначенную ;ця рассыатривания предметов в УСЛОВIIЯХ

слабого освещения - ночью 1I.'1И В суыерках. В этих УС.l0ВИЯХ свойства

воспринимающего глаза значите,lЬНО ИЗ:l1еняIOТСЯ по сравнению с днев­

ными усдовиямн, в частности, как ыы уже указыва.1Н (§ 113), значитель- 110 возрастает тот МИНII~lаЛЫIЫЙ угол зреlllIЯ, под которым гдаз может еще различить две ТОЧЮI объектз как раздельные. Зрительная труба,

увеличивая угол зрения, под которым видны предметы глазом, повы­

шает способность раЗ.lIIчать преД;'lеты в усдовиях ночного И сумеречного

освещения.

Оптпческая CHCTe~la «ночезрительной трубы» де.lается из возможно малого числа деталей для уменьшения потерь света на отраженпе и по­ глощение. С этой же целью поверхности оптических деталей «просвет­ ляются» (см. § 111). Труба должна быть рассчитана на работу ее при макспма.1ЫIOМ диаметре зрачка глаза - около 8 мм. Кроме того, труба для ночных наблюдений ДО.'1жна нметь возможно большую светосилу и

бодьшое увеличение.

§ 122. Зрение двумя глазами и восприятие глубины прост­

ранства. Стереоскоп. Зрительное восприятие внешнего

пространства яв.'lяется СЛОЖНЫ1\! деЙСТВIIбl, в котором су­ щественным обстоятельством является то, что в норма.1ЬНЫХ

условиях МЫ пользуемся Д в у м я глазам!!. Один и тот же

предыет дает изображения на сетчатых обо.'ючках обоих

*) При этом преДl!о.lагается, что подбор объектива и оку.lяра те­ лескопа ПРОlIзведен правильно, так что весь световой поток, падающий на объектив, проникает в зрачок глаза наблюдателя.

311

глаз, причем оба изображения немного различаются между

собой, так как предмет несколько различно расположен ОТ­ носителыlO обоих глаз: один глаз неl\ШОГО лучше видит

I1равую сторону его, а другой - левую. Эти различия нич­ тожны, ]<огда рассматривается плоский предмет (картина),

11 становнтся вполне ОЩУТИl\IЫМИ при наблюдении объемных

предметов. Световые раздражения, получаемые каждым

глазом, соединяются в нашем сознании в один зрительный

образ, в КОТОРО1\! отображаются особенности, связанные с

про с т р а н с т в е н н ы м характером рассматривае­

мого предмета.

Желан рассмотреть какой-либо предмет, мы поворачи­

ваем оба глаза так, что зрительные оси их пересекаются на

l

J

,*-~_=---+-=-_~__--,d=--___--i:I ь

J

I

I

Рис. 2()!. РассмаТРИlзание прсдмста обоими глазами дает возможность OЦCНlITЬ расстоянис до прсду!ста. Угол а на рисунке изображен значи­ тельно ()ольшим, чсм это имсет место в действительности при рассмат-

j)пванин пропrженных предметов

этом предмете (РИС. 261). Благодаря большой подвижности

глаз мы быстро фикспруем одну точку предмета за другой;

ПрИ этом мы можем оценивать расстояние до рассматривае­

мых предметов, а также сравнивать эти расстояния между

собой. Такая оценка дает нам представление о г л у б и н е 11 р О С Т Р а н с т в а (перспективе), об объемном распре­

делении деталей рассматриваемого предмета, делает воз­

можным, как говорят, стереоскопическое зрение.

При зрении ОДНИМ глазом мы также производим оценку

относительного расположения предметов, используя для

этого косвенные признаки: сравнение размеров объекта с

размераl\lИ предметов, которые нам известны из опыта,

изменения в цвете и расположении света и теней, наложение контуров объектов друг на друга и т. п.

312

существенную помощь оказывает наблюдение относи­

тельнОГО смещения объектов при перемещении глаза наблю­

дателя. Наряду с этим ДJlЯ оценки расстояний мы используем

ощущение усилия мышц, необходимого для аккомодации

глаза на данный предмет, При зрении двумя глазами к это­

му прибаВJ1яется еще ощущение мышечного усилия, необ­ ходимого для сведения зрительных осей глаз на фиксируе­

мую точку. Последние оба процесса происходят одновре­ менно и бессознательно и тесно связаны между собой.

Глубина пространства при зрении двумя глазами вос­

принимается несравненно лучше, чем при зрении одним гла­

зом. Чтобы убедиться в этом, достаточно, закрыв один глаз,

попробовать продеть нитку в ушко иголки. Способность

ощущать глубину пространства и оценивать смещение пред­ метов друг относительно друга по глубине у разных людей

неодинакова и зависит, в частности, от тренировки.

Угол а расхождения лучей, идущих от далекого пред­ мета в оба глаза, пропорционален расстоянию Ь между

глазаllШ (называемому базой) и обратно пропорционален расстоянию d до предмета (рис, 261):

ь

a=Il'

При больших расстояниях до предмета угол а очень мал, и зрительные оси обоих глаз идут почти параллельно, вслед­

ствие чего ощущение глубины пространства теряется. Этот

угол может быть значительно увеличен с помощью оптиче­

ских приборов за счет увеличения базы между объективами прибора. БJ1агодаря этому эффекту ощущение глубины воз­

растает во много раз.

В военных оптических приборах, предназначенных для наблюдений (бинокли, стереотрубы), расстояние между цент­ рами объективов всегда значительно больше, чем расстоя­

ние l\Iежду ГJ1азами, и удаленные предметы кажутся значи­

тельно более рельефными, чем при наблюдении без прибора. Наоборот, театральные бинокли предназначены для рас­ сматривания сцены, реальная глубина которой мала и где ощущение глубины создается искусственно, с помощью деко­ раций. Поэтому в театральных биноклях расстояние между

объективами делают меньше, чем расстояние между глаза­

ми, благодаря чему незначительная глубина сцены дела­ ется менее заметна. Конечно, такое расположение объек­ тивов возможно только в призменных биноклях, где бла­

годаря. наличию призм расстояние между объективами мо­

жет быть сделано иным, чем расстояние между окулярами

313