Тестирование оптики телескопа по звезде (Star test)

[bot]

Оценка состояния оптики по изображению звезды

Наиболее прямой и естественный способ тестирования астрономической оптики - тестирование по звездам как натуральным, так и искусственным (светящийся достаточно малый объект вроде блика от солнца на фарфоровом электрическом изоляторе или прокола в фольге на фонарике расположенные достаточно далеко от телескопа). Это очень чувствительный качественный метод, который часто позволяет выявить и локализовать источники остаточных аберраций ухудшающих качество изображения.

Суть метода состоит в том, чтобы внимательно изучить изображение достаточно яркой и удобно расположенной звезды при большом увеличении. И если в этом изображении наблюдается отклонение от картинки Эйри, то постараться выявить причины этого отклонения методом сравнения между собой рисунков слегка расфокусированных изображений этой звезды.

Еще раз, медленно: если в фокусе изображение звезды демонстрирует статические (постоянные во времени) отклонения от канонической картинки Эйри: повышенную яркость первого и яркое второе кольцо, разрывы и деформацию этих колец, то следует использовать анализ внефокалов описанный ниже для понимания того, что является причиной видимых аномалий в изображении звезды в фокусе.

Если фокусируясь сдвинуть окуляр от точки наилучшей фокусировки немного в сторону объектива (от глаза) это называется "предфокал" (intra/pre focalpoint, inside focus) - расфокусированное изображение звезды до фокальной плоскости. В идеале это круг с неконтрастной дифракционной структурой вроде годичных колец. На фоне этой картины в зеркальных системах может быть заметно потемнение от центрального экранирования и даже крест от растяжек вторичного зеркала. Если окуляр от наилучшего положения смещен к глазу (от объектива) это называется "зафокал" (extra/post focalpoint, outside focus) - расфокусированное изображение звезды после фокальной плоскости. В отсутствие остаточных аберраций зафокал выглядит как предфокал при равенстве смещений от точного фокуса (расфокусировок).

Для лучшей "читаемости" внефокалов следует применять увеличение - 1-1.5D (для телескопа с апертурой 150 мм - 150-200х), хотя обычно вклад аберраций в деформацию внефокалов можно классифицировать и при меньших увеличениях. Величина расфокусировки должна быть примерно такой, чтобы в пятне расфокусировки укладывались от 3 до 6 дифракционных колец. Изображения следует рассматривать строго в центре поля зрения окуляра. Понятно, что следует озаботиться условиями с минимальным влиянием атмосферы: телескоп должен быть в тепловом равновесии с окружающей средой, место испытания должно быть свободно от потоков теплого воздуха, высотная турбуленция должна быть минимальна - не всякая погода годится! Стоит отметить, что тестирование по искусственной звезде легче - меньше влияние возмущенной атмосферы.

Типичные внефокалы для классических дефектов оптики

start_tests.JPG (41.37 КБ) 49094 просмотра

• Астигматизм - характерен тем, что пятна зафокала и предфокала более-менее эллиптичны (сплюснутый круг), причем длинные оси этих двух эллипсов (направления их вытянутости) взаимно перпендикулярны. Заметим, что эллиптичность может быть весьма небольшой и бросаться в глаза только при совсем небольших расфокусировках, в фокусе картина Эри приобретает несколько квадратную форму (как карточные буби или при сильном астигматизме четырехлучевая звезда). В зеркальных системах при остаточном астигматизме пятно от центрального экранирования остается менее сплюснутым по сравнению с внешним краем пятна расфокусировки.
• Кома - в чистом виде характерна тем, что пятна зафокала и предфокала идентичны, но имеют заметное смещение центральной точки пятна (обычно более яркой) относительно его периферии. Та периферия, к которой смещен центр пятна расфокусировки заметно ярче. В зеркальных системах пятно от центрального экранирования смещается относительно геометрического центра пятна расфокусировки.
• Сферическая аберрация - в зависимости от знака приводит к тому, что внефокалы отличаются по распределению яркости вдоль радиуса пятна расфокусировки. В предфокале недокомпенсированная сферическая аберрация характерна повышенной яркостью и резкостью переферии пятна (светлая более-менее резкая кайма), в то время как к зафокале край пятна становится сильно размытым и тусклым по сравнению в телом пятна расфокусировки. Перекомпенсированная сферическая аберрация ведет себя противоположным образом. В зеркальных системах при наличии сферической аберрации темное пятно от центрального экранирования занимает разный процент площади пятна расфокусировки в пред- и зафокале.
• "Подвернутый край" и "завал" - различие внефокалов просматриватеся по виду края пятна расфокусировки - различна степень его размытости на зафокале и предфокале при том, что остальная часть пятна расфокусировки примерно такая же.
• "Зона" - появляется темное кольцо на одном из внефокалов и дополнительные к нему повышения яркости на другом.
• "Бугор" - проявляется в виде более темной середины одного внефокала и более светлой середины у другого. В зеркальных системах видно как различие в размерах темного пятна от центрального экранирования по разные стороны от фокуса (причем край этого темного пятна может быть подчеркнут светлой каймой на одном из внефокалов), при том, что внешний край за- и предфокала не показывает заметных различий.
• Отсутствие аберраций - пятна расфокусировки достаточно равномерно яркие и по радиусу, и по азимуту, расфокусированные изображения звезд круглой формы и одинаково выглядят как в зафокале, так и предфокале.

Следует отметить, что в большинстве своем все эти аберрации влияют совместно, но перечисленные их признаки позволяют выявить ту, вклад которой наиболее силен.

Тестирование по звезде обычно происходит на фоне более или менее сильного влиянии нестабильной атмосферы - турбуленции. Ее влияние хорошо отделяется благодаря динамичности - распределение яркости в пятнах расфокусировки быстро меняется искажая их оригинальную форму. Приходится улавливать более стабильные моменты, высматривая реальные искажения формы пятен расфокусировки связанные с дефектами оптики, а не атмосферы.

Atmospheric.JPG (5.19 КБ) 49889 просмотров

Кроме того, тестирование по звезде может помочь выявить некоторые эксплуатационные ошибки.

other_sources.JPG (14.03 КБ) 49889 просмотров

• Пережатие - когда зеркало или линзы объектива пережаты в оправе (например, с трех сторон). Внефокалы приобретают вид многоугольника. Для устранения этого дефекта достаточно несколько ослабить крепление оптических элементов в их оправах - до появления небольшого люфта (игры в зазорах).
• Температурный градиент в трубе - особенно характерно для закрытых труб Максутова-Кассегрена и Шмидта-Кассегрена. Один из внефокалов получает односторонний провал яркости (т.н. "замочную скважину"), а другой - одностороннее увеличение яркости или подрезание периметра пятна расфокусировки. Для устранения следует дать оптике прийти в температурное равновесие с окружающей средой.
• Нерегулярные ошибки - сложное распределение яркости обычно позитивно-негативное в пред- и зафокале (темное пятно в одном внефокале соотв. светлому в другом). Что характерно для некачественного стекла (оптически неоднородных линз, менисков, плохо отожженных зеркал) или неудачной разгрузки тонких зеркал (коробление наклеенных, недостаточное число точек разгрузки и т.д.) Следует исследовать разгрузку оптических элементов и попытаться устранить ошибки.

Ну и наконец, при большой расфокусировке (лучше по самым ярким звездам и минимальном увеличении) можно увидеть реальное экранирование зеркальных объективов (отношение диаметра темной круглой тени экрана к диаметру светлого пятна расфокусировки). При большой расфокусировке можно увидеть и то насколько "чиста" апертура - на светлом фоне круглого расфокусированного изображения звезды становятся видными в виде темных контуров растяжки, выступающие головки винтов, крепеж оптики и т.п. элементов попадающих в световой пучок, что приводит к появлению "лучей" в сфокусированном изображении.

[Ernest]

Каким должно быть расстояние до искусственной звезды?

При тестировании оптики телескопа по искусственной звезде есть одна существенная тонкость. Искусственная звезда (ИЗ) волей-неволей должна располагаться на конечном расстоянии (не как настоящие звезды, располагающиеся на "бесконечности"). Такое расположение приводит к тому, что оптика телескопа работает нерасчетно. А это в свою очередь - к появлению сферической аберрации, что привносит дефект в качество изображения, от которого трудно отделить собственные аберрации оптики телескопа. Следует расположить искусственную звезду достаточно далеко от телескопа, настолько далеко, чтобы неизбежно вносимая сферическая аберрация была еще ничтожно мала.

К сожалению, нет простой формулы для расчета минимального расстояния до ИЗ - оно зависит от допуска на величину вносимой аберрации, оптической схемы, его апертуры, относительного отверстия, некоторых других особенностей.

В таблице ниже я привел минимальные расстояния для некоторых из типов телескопов при допуске на сферическую аберрацию 1/8 длины волны, надеюсь у меня найдется досуг для пополнения этой таблички...

Схема	Апертура, мм	Отн.отверстие	Дополнительные условия	Мин.дистанция, м	Расфокусировка*, мм
Ньютон	300	1:5	-	100	22.5
Ньютон	300	1:4	-	166	8.7
Ньютон	200	1:5	-	45	22.5
Ньютон	200	1:4	-	80	8.0
Ахромат	150	1:10	дублет	11	207
Ахромат	150	1:8	дублет	12.5	115
Ахромат	150	1:5	дублет	26	22
Ахромат	100	1:10	дублет	5	200
Ахромат	100	1:7	дублет	7	70
Ахромат	100	1:5	дублет	20	12.5

* Расфокусировка - величина расфокусировки телескопа по сравнению с фокусировкой на "бесконечность", значение считается по формуле Ньютона z' = f'*f'/z, где z' - величина требуемой расфокусировки (сдвиг окуляра от объектива), f' - фокусное расстояние телескопа, z - расстояние до объекта на конечном расстоянии, все величины в мм.

.
Максимальный диаметр тела свечения искусственной звезды

Для тонкой юстировки и исследования оптики телескопа диаметром апертуры D (мм) диаметр d (мм) отверстия в фольге (диафрагма) которая закрывает источник света (обычно светодиод) искусственной звезды, расположенной на расстоянии L (м) должен быть не больше следующей величины:

d = 0.5*L/D

Например, при установке искусственной звезды на расстоянии 100 метров и тестировании по ней 8" (200 мм) телескопа диаметр светящегося отверстия в экране (фольге) искусственной звезды должен быть не больше 100/200/2 = 0.25 мм

Диаметры тел свечения (мкм*) при тестировании телескопов разной апертуры

Расстояние в метрах от ИЗ до телескопа апертурой:	80 мм	100 мм	150 мм	200 мм	250 мм
2	12	10	7	5	4
5	30	25	15	12	10
10	60	50	30	25	20
15	90	75	50	40	30
30	200	150	100	75	60
50	300	250	150	125	100
100	600	500	300	250	200

* 1 мкм = 0.001 мм, 10 мкм = 0.01 мм, 100 мкм = 0.1 мм

Оптические методы получения ИЗ с малыми телами свечения

Часто бывает затруднительно изготовить диафрагму с требуемым диаметром отверстия 10-20-30 мкм. Можно при помощи любой короткофокусной линзы (лупа, фотообъектив, микрообъектив, окуляр) соорудить проектор уменьшающий размеры светящегося отверстия. Например, если расположить окуляр с 5 мм фокусным расстоянием в 50 мм от светящегося отверстия диаметром 1 мм, то он создаст изображение диаметром 0.1 мм, то есть уменьшит его в 10 раз!
Днем в солнечную погоду можно использовать солнечный блик от хорошо полированного стального шарика (от подшипника). Изображение солнца имеет размер примерно 1/400 диаметра такого бликующего шарика. К примеру, 10 мм шарик создает блик диаметром 10/400 = 0.025 мм или 25 мкм.

[Ernest]

Типовые ошибки при тестировании по звезде

• Если в фокусе изображение звезды выглядит христоматийно (см. картину Эйри) - центральное яркое пятно в окружении более или менее яркого дифракционного колечка (едва заметного при тестировании рефрактора, четко очерченного при тестировании зеркального телескопа) без искажений радиальной симметрии - то внефокалы можно и не смотреть. Анализ внефокалов нужен только для выявления причин скверного изображения звезд в фокусе. Если в фокусе все в порядке - не мучайте себя и инструмент ненужным тестированием.
• При тестировании используйте увеличение, которое дает выходной зрачок диаметром около 1 мм, то есть ориентируйтесь на формулу увеличение = диаметру апертуры выраженному в мм. Можно использовать увеличение побольше, для тонкой доводки инструмента по яркой звезде, можно - поменьше для грубой оценки его состояния. Но не слишком отклоняйтесь от этого ориентира иначе - как при слишком большом, так и при слишком малом увеличении - чувствительность метода падает.
• Не слишком увлекайтесь большими расфокусировками. При анализе внефокалов расфокусировка измеряется долями миллиметра. Обычно при этом видимое пятно расфокусировки звезды формируется 4-5 дифракционными кольцами, а темное пятно (тень от центрального экранирования, если вы тестируете зеркальный телескоп) едва обозначается в центре круга - расфокусированного изображения звезды. При большей расфокусировке чувствительность метода к остаточным аберрациям катастрофически падает. Немного большую расфокусировку можно делать только при сильной атмосферной турбуленции.
• Оценивайте изображение строго в центре поля зрения! В большинстве неапланатичных оптических схем (классический ШК, Ньютон и некоторые другие) достаточно изображению звезды немного отклониться от центра поля зрения и кома правит бал искажая представление о состоянии юстировки. Для того, чтобы изображение легче было центрировать лучше использовать для звездного теста окуляр с умеренным полем зрения, типа Плёссла.
• Если вы используете искусственную звезду - позаботьтесь о том, чтобы диаметр ее тела свечения (диаметр прокола в фольге) был достаточно мал (см. выше) иначе картинки внефокалов будут смазаны. Ну и относите искусственную звезду подальше от телескопа (см. выше), иначе вы обнаружите артефактную сферическую аберрацию, которой в вашем инструменте нет.
• Если используется натуральная звезда, выбирайте ту, которая по ближе к полюсу (малоподвижна) в идеале - Полярную. При использовании слишком "быстрой" звезды на монтировке без часового привода трудно будет загнать ее в центр поля зрения. А, если монтировка имеет часовой привод, используйте звезду поярче и поближе к зениту. При использовании слишком тусклой звезды чувствительность метода падает.
• Оценку оптики стоит делать дождавшись тепловой стабилизации инструмента, иначе за ошибки коллимации будут приняты артефакты возникающие из-за контраста не остывшей оптики и холодного окружающего воздуха.

[Lex1]

Более реальные изображения - начинающим должно быть понятней:

Звезда при среднем синге (подробнее):



Внефокалы ИЗ в ахромат:
Зафокал сильнее окрашен и кажется мутнее чем он есть. Из-за этого и сферохроматизма (см. фото в Небосвод 11, 2016, стр. 9) желательно использовать зелёный фильтр или зелёный светодиод ИЗ.

bresser127-1200.jpg (11.31 КБ) 20136 просмотров

(источник)


Внефокалы ИЗ в рефлектор:
Большая часть колец закрыта ЦЭ, что делает проверку по реальной звезде непростой, нужен достаточно хороший синг. Так что начинающему лучше тестить рефлектор по ИЗ или использовать более грубые методы вроде решётки Ронки.


(источник)

[Ernest]

Оптимальная расфокусировка при тестировании по внефокалам

Диаметр диска Эйри на зеленой длине волны
d (мкм) = 1.34*k,
где k - относительное фокусное расстояние объектива.

Диаметр внефокала достаточно информативного для анализа, в среднем
D (мкм) = 10*d = 13.4*k

Расфокусировка для получения такого изображения внефокала
dS (мм) = D*k = 13.4*k²/1000

Например:

• для Ньютона F4 (k = 4): dS = 13.4*4*4/1000 = 0.2 мм
• для ШК F10 (k = 10): dS = 13.4*10*10/1000 = 1.3 мм

Для более тонкого/наглядного исследования расфокусировку придется уменьшить, по сравнению с рассчитанным выше.