مدل سازی انتشار پرتو در یک سیستم تلسکوپ نیوتنی

هنگامی که تلسکوپ نیوتنی برای اولین بار در سال 1668 توسعه یافت، به عنوان اولین تلسکوپ بازتابی فعال شناخته شد. این سیستم نوری با هزینه کم و طراحی ساده خود جایگزین مناسبی برای تلسکوپ های شکستی شد و این فناوری امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از ماژول اپتیک پرتو، می توانیم انتشار پرتو را در این نوع سیستم تلسکوپ تجزیه و تحلیل کنیم.

مکث و “بازتاب”

اولین تلسکوپ شکست عملی در سال 1608 ظاهر شد. همانطور که از نام آن مشخص است، این فناوری تصاویر را از طریق انکسار ، تغییر جهت نور هنگام عبور از بین دو محیطی که سرعت نور در آنها متفاوت است، تشکیل می دهد. یک تلسکوپ شکستی ساده از یک عدسی به عنوان هدف برای جمع آوری و تمرکز نور استفاده می کند. این فناوری که به عنوان اولین نوع تلسکوپ نوری شناخته شد، بعدها در نیمه دوم قرن نوزدهم به محبوبیت ^رسید .

اما مشکلی در این دستگاه به شکل انحراف رنگی به وجود آمد . این نوع اعوجاج ناشی از شکست لنز در فوکوس همه رنگ ها در یک نقطه همگرایی است. در تلسکوپ های شکست، زاویه شکست در هر سطح به طول موج بستگی دارد و باعث می شود که طول موج های مختلف نور در نقاط مختلف متمرکز شود. این منجر به تصاویر تار یا حاشیه های رنگی می شود که به عنوان هاله ای در اطراف اجسام عمل می کنند.

اسحاق نیوتن، دانشمند بریتانیایی، هنگام توسعه نظریه رنگ، بین این نقص فنی در تلسکوپ‌های شکستی و منشوری که با آن‌ها آزمایش می‌کرد، ارتباط برقرار کرد. او عدسی تلسکوپ را به عنوان ریشه این مشکل شناسایی کرد. مانند منشورهای او، عدسی تلسکوپ شکست نور سفید را به رنگین کمانی از رنگ ها در اطراف اجرام بزرگ و درخشان تبدیل کرد.

با این کشف یک راه حل پیدا شد: ایجاد یک تلسکوپ بدون استفاده از عدسی به عنوان هدف. این ما را به ریشه های تلسکوپ نیوتنی می رساند.

توسعه تلسکوپ نیوتنی

نیوتن در حین ساخت اولین تلسکوپ بازتابی خود تصمیم گرفت که عدسی اصلی را با یک آینه فلزی ساخته شده از قلع و مس جایگزین کند. هنگام انتخاب شکل آینه شیئی، او یک شکل کروی را در تلاش برای ساده سازی طراحی تلسکوپ انتخاب کرد.

بر روی بازتابنده خود، نیوتن انتخاب کرد که یک آینه ثانویه مورب اضافه کند . این جزء در نزدیکی کانون آینه اصلی قرار داده شد تا تصویر را با زاویه 90 درجه به چشمی نصب شده در کنار تلسکوپ منعکس کند. این عنصر طراحی به ویژه قابل توجه بود زیرا تصویر را قادر می ساخت با انسداد بسیار کمی از آینه شیئی مشاهده شود.

ماکت تلسکوپ نیوتنی.
عکسی که نمونه‌ای از دومین تلسکوپ بازتابی را نشان می‌دهد که توسط نیوتن ساخته شده و در سال 1672 به انجمن سلطنتی لندن ارائه شده است .

این دستگاه نوری علاوه بر عملکرد بدون اعوجاج رنگ، نیوتن را قادر می سازد تا چهار قمر گالیله ای مشتری و همچنین فاز هلالی زهره را مشاهده کند. در حالی که این فناوری اعضای انجمن سلطنتی لندن را تحت تاثیر قرار داد، تلسکوپ بازتابی در ابتدا به دلیل مشکلات ساخت و ساز، که از ایجاد یک بازتابنده موثر تا سطوحی که به سرعت کدر می‌شدند، به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت.

جان هدلی با تکیه بر طراحی نیوتن، نسخه بهبودیافته تلسکوپ را در سال 1721 به انجمن سلطنتی ارائه کرد.

مزایای طراحی

در کنار حذف انحراف رنگی، بسیاری از مزایای دیگر را می توان در توسعه تلسکوپ نیوتنی ذکر کرد. با این طراحی، دستیابی به یک نسبت کانونی کوتاه آسان تر شد که به نوبه خود میدان دید وسیع تری ایجاد کرد.

علاوه بر این، ساخت کلی تلسکوپ ساده‌تر بود، زیرا فقط یک سطح نیاز داشت که به شکلی نسبتاً پیچیده صیقل داده شود. در مقایسه با همتای انکساری خود، تولید این تلسکوپ بازتابی مقرون به صرفه‌تر بود.

شبیه سازی انتشار اشعه نور غیرقطبی

از منشا ردیابی تا ردیابی پرتوها – اکنون تمرکز خود را به مدل‌سازی انتشار پرتو نور در سیستم تلسکوپ نیوتنی تغییر می‌دهیم. این پدیده را می توان با استفاده از مدل تلسکوپ نیوتنی در ماژول Ray Optics ، جدید با COMSOL Multiphysics نسخه 5.0 تجزیه و تحلیل کرد.

در این مثال، تلسکوپ مدل از دو آینه – یک آینه اولیه کروی و یک آینه ثانویه مسطح – و یک عدسی بیضی تشکیل شده است. با استفاده از آینه ثانویه، زاویه 45 درجه با پرتوهایی که از آینه اولیه منعکس می شود، تشکیل می شود. نور توسط آینه ثانویه به سمت عدسی بیضی شکل هدایت می شود و تصاویری از اجسام روی سطح کانونی را تشکیل می دهد. در اینجا، پرتوها فقط از زیر مجموعه ای از نقاط روی روزنه تلسکوپ آزاد می شوند تا توسط آینه ثانویه مسدود نشوند.

مدلی که مسیر و شدت پرتو را برجسته می کند.
مسیر و شدت پرتوها هنگام حرکت از طریق تلسکوپ.

برای تجسم عملکرد طراحی سیستم نوری، این مطالعه از یک نمودار نقطه ای استفاده می کند. این نمودار نقاطی را نشان می دهد که پرتوهای پرتاب شده از روزنه تلسکوپ به صفحه تصویر برخورد می کنند. به طور معمول، طرح های با کیفیت خوب باید دارای لکه هایی باشند که در یک دایره مطابق با نقطه پراش مرکزی از دیافراگم سیستم نوری ظاهر می شوند.

نمودار نقطه ای از یک عبارت رنگی برای نشان دادن نسبت بین شدت پرتو در صفحه تصویر و شدت اولیه استفاده می کند. همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، پرتوهایی که به سطح کانونی می رسند، شدتی از 65.3 تا 88.8 برابر بیشتر از شدت اولیه پرتوهای توزیع شده دارند.

نموداری که نسبت بین شدت پرتو و شدت اولیه را نشان می دهد.
نمودار نقطه ای که نسبت بین شدت پرتو و شدت اولیه را برجسته می کند. توجه داشته باشید که نقاط در نمودار نسبت به محور x متقارن هستند اما محور y متقارن نیستند . این به این واقعیت نسبت داده می شود که محور x در صفحه تقارن تلسکوپ قرار دارد.