Обзоры

Оценка состояния оптики по изображению звезды, тест по звезде

Оценка состояния оптики по изображению звезды, тест по звезде


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 электроизоляторе или прокола в фольге на фонарике расположенные достаточно далеко от телескопа). Тест по звезде - это очень чувствительный качественный метод, который часто позволяет выявить и локализовать источники остаточных аберраций ухудшающих качество изображения.

Замечу, что при тестировании при помощи искусственной звезды диаметр светящегося тела d (мм) должен быть не больше L/(1.5D), где L - расстояние до искусственной звезды в метрах, D - диаметр апертуры телескопа в мм.

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. 


Впервые такая картина была описана и объяснена Джорджем Эйри, поэтому за ней закрепилось название "картина Эйри" (Airy pattern), а за ее центральным диском "диск Эйри" (Airy disk). Размер диска Эйри (расстояние от центра до ограничивающего его первого минимума) определяется длиной волны света (λ) при которой получают дифракцию (например, для середины визуального диапазона 0.55 мкм) и диаметром апертуры (D):

ф = 1.22·λ/D (рад) = 140"/D (угл.сек.) (1)

Вариант этой формулы для диаметра диска Эйри d (по ограничивающему его темному кольцу) на фотоприемнике при использовании объектива с относительным фокусным расстоянием (диафрагмой, отношением фокусного расстояния к диаметру апертуры) k:

d = 1.34*k (мкм), (2)



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 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 увеличение следует применять максимально возможное - 2-3D (для телескопа с апертурой 150 мм - 250-500х), 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.

На первом рисунке приведены типичные внефокалы для классических дефектов оптики.

  • Астигматизм - характерен тем, что пятна зафокала и предфокала более-менее эллиптичны (сплюснутый круг), причем длинные оси этих двух эллипсов (направления их вытянутости) взаимноперпендикулярны. 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. 




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

  • Пережатие - когда зеркало или линзы объектива пережаты в оправе (например, с трех сторон). Внефокалы приобретают вид многоугольника. Для устаранения этого дефекта достаточно несколько ослабить крепление оптических элементов в их оправах - до появления небольшого люфта (игры в зазорах).
  • Тепературный градиент в трубе - особенно зарактерно 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 наколько "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.


Нет комментариев

Добавить комментарий