مقراب عاكس

المقاريب العاكسة، مثلها مثل أي نظامٍ بصريٍ آخر، لا تُنتِج صورًا «مثالية». تعني الحاجة إلى تصوير الأشياء الموجودة على مسافاتٍ تصل إلى ما لا نهاية، ورؤيتها على موجاتٍ ضوئية مختلفة، جنبًا إلى جنب مع الحاجة إلى الحصول على طريقةٍ ما لرؤية الصور التي تُنتجها المرآة الأساسية، أن هناك دائمًا مساومة في التصميم البصري لمقرابٍ عاكس.

صورة لسيريوس أ وسيريوس ب من قِبَل مرصد هابل الفضائي توضح ارتفاعات الحيود وحلقات تراكز الحيود.

لأن المرآة الأساسية تركز الضوء إلى نقطة مشتركة أمام سطح انعكاسها، فمعظم تصاميم المقارب العاكسة لها مرآة ثانوية، وحامل للفيلم، أو مكشاف قريب جزئيًا من نقطة التركيز تلك؛ يعوق الضوء من الوصول إلى المرآة الأساسية. ولا يتسبب هذا في تقليل كمية الضوء التي يجمعها النظام، بل يتسبب أيضًا في فقدان تباين الصورة بسبب عوامل الحيود التي تسببها الإعاقة وأيضًا ارتفاع الحيود الذي تسببه معظم الهياكل الثانوية الداعمة.[12][13]

إن استخدام المرايا يتجنب الزيغ اللوني ولكنه يُنتج أنواعًا أخرى من الزيغ. ولا يمكن لـمرآة كروية أن تأتي بالضوء من غرضٍ بعيد لتركيزٍ واحد، بما أن انعكاس الضوء الذي يصطدم بالمرآة حول حوافها لا يتقارب مع الانعكاسات المنعكسة من النقاط الأقرب لمركز المرآة، وهو الخلل الذي يطلق عليه الزيغ الكروي. ولتجنب تلك المشكلة، تستخدم معظم المقاريب العاكسة مرايا مكافئة الشكل، وهو الشكل الذي يمكنه تركيز كل الضوء على منطقة تركيزٍ بعينها. وتعمل المرايا المكافئة جيدًا مع الأشياء الموجودة بالقرب من مركز الصورة التي تنتجها، (الضوء المسافر موازٍ لـ المحور البصري للمرآة)، ولكنها تعاني من زيغ بُعد المحور عند البعد في اتجاه حواف نفس مجال الرؤية:[14][15]

• الزغب - وهو زيغ يحدث حين تتركز نقطة المصادر (النجوم) عند مركز الصورة في نقطة، ولكنها عادةً ما تظهر «على شكل-المذنبات» كلطخات شعاعية، والتي تصبح أسوأ تجاه حواف الصورة.
• تقوس الحقل - إن أفضل مسطح للصور يكون غالبًا مقوسًا، مما قد لا يتطابق مع شكل المستشعر ويؤدي إلى خطأ في التركيز على المجال. ويتم أحيانًا معادلته بعدسة تسطيح المجال.
• اللابؤرية - وهي زيغ سمتي للتركيز حول الفتحة، مما يجعل صور النقاط البعيدة عن المحور تبدو وكأنها بيضاوية الشكل. قد لا تمثل اللابؤرية مُشكلةً شائعة في مجال الرؤية الضيق، ولكنها سرعان ما تصبح أكثر سوءًا عند الاستخدام مع مجالٍ أوسع للرؤية، وتختلف تربيعيًا مع زاوية المجال.
• التحرف - لا يؤثر التحرف على جودة الصورة (حدتها) ولكنه يؤثر على شكل الأشياء. ويتم معادلته أحيانًا عن طريق معاملة الصورة.

وهناك تصاميم للمقاريب العاكسة التي تستخدم أسطح مرايا معدلة (مثل مقراب ريتشي-كريتيان) أو نوعًا من العدسات المصححة (مثل المقاريب الانعكاسية الانكسارية) التي تقوم بتصحيح بعض أنواع الزيغ هذه.

مسار الضوء في مقراب جريجوري.

يستخدم المقراب الجريجوري الذي وَصَفَه العالم جيمس جريجوري في كتابه «التعزيز البصري» (Optica Promota) عام 1663، مرآةً ثانوية مقوسة تعيد عكس الصورة من خلال فتحة في المرآة الأساسية، وهذا ما ينتج عنه صورة معدولة، تستخدم في أخذ الملاحظات عن كوكب الأرض، وما زالت بعض مقاريب تحديد النطاق تُصَنع بنفس الطريقة، وهناك العديد من المقاريب الحديثة الكبيرة التي تستخدم التصميم الجريجوري مثل: مقراب الفاتيكان التكنولوجي المتطور، ومقاريب ماجلان، ومقراب بينوكلر الكبير، ومقراب ماجلان العملاق.

مسار الضوء في مقراب نيوتوني.

يُعد المقراب النيوتوني أولَ مقرابٍ عاكس ناجح، والذي أكمله إسحاق نيوتن في عام 1668، وعادةً يحتوي على مرآةٍ قطعية أساسية ولكن عند معدل بؤري يساوي f/8 أو أطول، وقد يكفي وجود مرآة كروية للحصول على رؤية عالية الدقة، وتقوم مرآة ثانوية مُسَطَّحة بعكس الضوء على سطح التركيز الموجود على جانب رأس أنبوب المقراب، وتعد هذه واحدة من أبسط وأقل التصاميم كلفة والتي يمكن رؤية الكواكب والأجسام السيارة من خلالها، ويشتهر هذا التصميم بين الهواة من صناع المقاريب حيث يمكن بناؤه في المنزل.

مسار الضوء في مقراب كاسيجرياني.

المقراب الكاسيجرياني (وأحيانًا يُطلَق عليه اسم «الكاسيجرياني الكلاسيكي») هو تصميم لـلوران كاسيجريان (Laurent Cassegrain) تم نشره في عام 1672، ويحتوي على مرآة أساسية قطعية مكافئة، ومرآة ثانوية زائدة المقطع تقوم بعكس الضوء مجددًا خلال فتحة في المرآة الأساسية، ويخلق تأثير الطي والتباعد للمرآة الثانوية مقرابًا ذا بعد بؤري طويل بينما يكون له أنبوب قصير.

مقراب ريتشي-كريتيان، هو ذلك الذي اخترعه كلٌ من جورج ويليس ريتشي (George Willis Ritchey) وهنري كريتيان (Henri Chrétien) في أوائل العقد الثاني من القرن العشرين، وهو نوع متخصص من العاكس الكاسيجرياني، ويحتوي على مرآتين زائدتي المقطع (بدلاً من مرآة مكافئة أساسية)، ويُعد هذا المقراب خاليًا من الزغب والزيغ الكروي قرابة سطح تركيز، هذا إنْ كان التقوسان الأساسي والثانوي مشكلين بصورةٍ مناسبة، الأمر الذي يجعله أفضل للاستخدام في المجال الواسع والملاحظات الفوتوغرافية،[17] وتقريبًا يعد كل مقراب عاكسًا احترافيًا في العالم من التصميم الريتشي-كريتيان.

إن إدراج مرآة ثالثة من شأنه أن يساعد في تصحيح أية تشوهات أو بؤرية باقية في الصورة في تصميم الريتشي-كريتيان، وهذا يسمح بمجالات رؤية أوسع بكثير.

قام (هوراس دال (Horace Dall)) في عام 1928 بعمل تصميم مقراب دال-كيركهام الكاسيجرياني، وأخذ الاسم المذكور في المقالة المنشورة في مجلة ساينتفك أمريكان في عام 1930، والتي تبعت النقاش بين عالم الفلك الهاوي (ألان كيركهام (Allan Kirkham)) و (ألبرت جي إنجالاس (Albert G. Ingalls))، والذي كان محررَ المجلة في ذلك الوقت. ويستخدم التصميم مرآة أساسية بيضاوية مقعرة ومرآة ثانوية كروية محدبة، ومع أن هذا النظام أسهل في الصقل من الكاسيجرياني الكلاسيكي أو الريتشي-كريتيان، فهو لا يقوم بتصحيح الزغب البعيد عن المحور، وفي الحقيقة فإن تقوس المجال أقل منه في الكاسيجرياني الكلاسيكي، وبسبب صعوبة ملاحظة هذا التقوس عند معدلات بؤرية أطول، فقليلاً ما تكون مقاريب دال-كيركهام أسرع من f/15، وتعد مقاريب تاكاهاشي ميولون نوعًا من معدات دال-كيركهام بسرعة f/12 ويُعتَد بها إلى حدٍ كبير، وتتطلب مُعدِلاً للتطبيقات واسعة المجال.

هناك العديد من التصاميم التي تحاول تجنب إعاقة الضوء القادم عن طريق التخلي عن المرآة الثانوية أو نقل أي عنصر ثانوي بعيدًا عن المحور البصري للمرآة الأساسية، والتي عادة ما يُطلَق عليها اسم الأنظمة البصرية اللامحورية.

مقراب هيرشل.

تم تسمية مقراب هيرشل على اسم ويليام هيرشل (William Herschel)، الذي استخدم هذا التصميم في بناء مقاريب كبيرة الحجم، من ضمنها مقراب بقطر 49.5 بوصة (126 سم) في عام 1789، وتكون المرآة في التصميم الهيرشلي مائلة حتى لا تعوق رأسُ الملاحظ الضوءَ القادم. وعلى الرغم من أن هذا يُنتج زيغًا هندسيًا، فقد قام هيرشل بتوظيف هذا التصميم لتجنب استخدام مرآة ثانوية نيوتونية، بما أن المرايا المصنوعة من العاكس المعدني وقتها كانت تفقد اللمعان سريعًا ولم تتمكن من تحقيق سوى 60% فقط من الانعكاس.[18]

يُعد مقراب شيفشبيجلر («المنحرف» أو «العاكس المائل») من أنواع المقاريب الكاسيجريانية، والذي يستخدم مرايا مائلة لتجنب إلقاء ظل المرآة الثانوية على الأساسية، ومع ذلك، يؤدي هذا إلى زغب وبؤرية زائدين عند استبعاد أنماط الحيود، ويمكن معالجة هذه العيوب عند المعدل البؤري الواسع — معظم مقاريب شيفشبيجلر تستخدم f/15 أو أطول، مما يؤدي إلى تقيد الملاحظة المفيدة للقمر والكواكب.

وتشيع عدة أنواع متباينة، بعدد متغير من المرايا من أنواعٍ مختلفة، ويستخدم أسلوب (كاتر (Kutter)) مرآة أساسية مقعرة وحيدة وأخرى ثانوية محدبة، بينما يستخدم نوع معين من الشيفشبيجلر-المتعدد مرآةً أساسية مقعرة، وأخرى ثانوية محدبة وثالثة مكافئة، ومن أحد الجوانب المثيرة للاهتمام لبعض مقاراب الشيفشبيجلر هو أنه من الممكن أن تتدخل المرايا في مسار الضوء مرتين — كل مسار للضوء ينعكس على طول مسار جنوبي مختلف.

مسار الضوء في أنظمة شيفشبيجلر ويولو البصرية.

تم تطوير نظام اليولو على يد (آرثر إس. ليونارد (Arthur S. Leonard)) في منتصف الستينيات من القرن العشرين،[19] وعلى غرار الشيفشبيجلر، فهو مقراب عاكس غير معاق ومائل. يتكون اليولو من مرآة أساسية وثانوية مقعرتين، بنفس درجة التقوس، وعلى نفس الميل من المحور الأساسي، وتستخدم معظم مقارب اليولو عاكسًا حلقيًا، ويخلو تصميم اليولو من الزغب، إلا أنه يحتفظ بدرجة كبيرة من البؤرية، والتي يتم خفضها بتشويه المرآة الثانوية بنوعٍ من أحزمة التشويه أو تلميع شكل حلقي بداخلها.

تستخدم تصاميم المقارب مرآة دوارة تتكون من معدن سائل في إناءٍ يدور على سرعةٍ ثابتة، ومع دوران الإناء، يشكل السائل سطحًا مكافئًا غير محدود الحجم، ويخصص هذا لمرايا المقارب ذات الأحجام الكبيرة (أكبر من ستة أمتار)، ولكن لسوء الحظ لا يمكن توجيهها بسبب وضعها العمودي الدائم.

تصميم لمقراب أساسي التركيز. الملاحظ/الكاميرا يوجد عند نقطة التركيز (والتي تظهر على شكل علامة إكس (X) حمراء).

في تصميم التركيز الأساسي لا يتم استخدام عدسات ثانوية، ويتم الوصول للصورة عند نقطة التركيز للـمرآة الأساسية، ويوجد عند نقطة التركيز نوع ما من الهيكل لحمل لوحة الفيلم أو المستشعر الإلكتروني. وفي الماضي، في المقاريب الكبيرة كان الملاحظ يجلس داخل المقراب في «قفص الملاحظة» لرؤية الصورة بشكلٍ مباشر أو لتشغيل الكاميرا،[20] أما اليوم فتسمح كاميرات الأجهزة مزدوجة الشحنة (CCD) بتشغيل المقراب عن بعد من أي مكان في العالم تقريبًا، وتكون المساحة المتاحة عند التركيز الأساسي محدودة بشكلٍ كبير نظرًا للحاجة إلى تجنب إعاقة الضوء القادم.[21]

وغالبًا ما تكون المقارب الراديوية ذات تصميم أساسي التركيز، حيث يتم استبدال المرآة بسطحٍ معدني لعكس الموجات الراديوية، ويكون الملاحظ هوائيًا.

يشبه تصميم ناسميث التصميم الكارسيجياني فيما عدا أنه لا يتم عمل فتحة في المرآة الأساسية؛ ولكن عوضًا عن ذلك تقوم مرآة ثالثة بعكس الضوء للجانب.

إن إضافة المزيد من العدسات إلى مقرابٍ على أسلوب ناسميث لتوصيل الضوء (غالبًا خلال محور ميل) لنقطة تركيز ثابتة لا تتحرك مع إعادة توجيه المقراب، يعطى تركيز كودي (من الكلمة الفرنسية التي تعني المرفق أو الكوع).[22] وعادة ما يتم استخدام هذا التصميم على مقاريب المراصد الفلكية الكبيرة؛ وذلك لأنها تسمح باستخدامٍ أسهل لأدوات الملاحظة الكبيرة مثل راسم الطيف.

وقد تم استخدام تركيز كودي بكثرة في المقارب الكبيرة المبنية في أغلب القرن العشرين؛ لأن القيود على التصميم البصري والصناعة تتطلب رواسم طيفية عالية الدقة بشكلٍ أخص لتحتوي على مرايا موازاة كبيرة (تكون مثالية عندما تكون بنفس حجم مرآة المقراب الأساسية) وأطوال مجالية واسعة للغاية، ولم يكن متاحًا في ذلك الوقت إزالة هذه الأدوات من مكانها، وكان الحل الوحيد هو أن تتم إضافة مرايا إلى مسار الضوء لتوجيه الضوء إلى مكانٍ ثابت حيث توجد آلة مشابهة تبيت على أو أسفل سطح الملاحظة (وغالبًا ما كانت تبنى كجزءٍ تكاملي غير متحرك من مبنى المرصد). وقد تم بناء كل من مقراب هالي الذي يبلغ طوله مترًا واحدًا ونصف المتر، ومقراب هوكر، وبوصة مقراب هالي الذي يبلغ طوله مائتي بوصة، ومقراب شاين، ومقراب هارلان جي سميث (Harlan J. Smith) على أجهزة كودي للتركيز. وقد سمح تطوير مقاييس إيشيل الطيفية بعمل قياس طيفي عالي الدقة مع أدوات أكثر صغرًا، واحدة منها يمكنها أحيانًا أن تركب بفاعلية على التركيز الكارسيجياني، ومنذ أن تم تطوير مقراب (ألت-آز (alt-az)) غير المكلف والمستقر كفاية الذي تتحكم فيه الحواسيب في الثمانينيات، حَلَّ تصميم الناسميث محل تركيز كودي في المقارب الكبيرة.