Если вы — «типичный» любитель астрономии, обладающий телескопом, то вы наверняка не раз задавали себе вопрос: а насколько качественные изображения он показывает? В продаже есть много товаров, качество которых легко оценить. Если вам, скажем, предлагают купить автомобиль, который не может разогнаться быстрее 20 км/час, вы сразу же сообразите, что у него что-то «не так». Но как быть с только что купленным или собранным телескопом, как узнать, «работает» ли его оптика на полную мощность? Сможет ли он когда-либо продемонстрировать те виды небесных объектов, которые вы от него ждете?
К счастью, есть простой, но очень точный способ тестирования качества оптики, не требующий никакого специального оборудования. Точно так же, как вам не нужно знать теорию двигателя внутреннего сгорания, чтобы определить, что мотор работает плохо, так и для оценки качества телескопа вам не обязательно быть знакомым с теорией конструирования оптики. Овладев техникой тестирования, о которой пойдет речь в этой статье, вы сможете стать авторитетным судьей качества оптики.
ИДЕАЛЬНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
Прежде чем начать говорить о качестве, необходимо знать как должно выглядеть в телескоп идеальное изображение звезды. Некоторые начинающие любители астрономии полагают, что в идеальный телескоп звезда всегда должна выглядеть как яркая и резкая точка света. Однако это не так. При наблюдениях с большими увеличениями звезда представляется в виде маленького диска, окруженного серией слабых концентрических колец. Это называется дифракционной картиной. Центральный диск дифракционной картины имеет собственное имя и называется кружком Эри.
Так должна выглядеть дифракционная картина в идеальный телескоп. Обратите внимание, что по разные стороны от фокуса дифракционные кольца выглядят совершенно одинаково. В телескопах, имеющих вторичное зеркало(экранирование), в центре расфокусированного изображения появляется темная область. Все иллюстрации, приведенные в статье, были смоделированы с помощью компьютера. На всех иллюстрациях изображение в центре - точно в фокусе, два слева - перед фокусом (ближе к объективу), а два справа - позади фокуса (дальше от объектива).
Что является причиной появления этих колец и превращения звезды в диск? Ответ на этот вопрос лежит в волновой природе света. Когда свет проходит через телескоп, он всегда испытывает «искажения», обусловленные его устройством и оптической системой. Ни один самый замечательный телескоп в мире не в состоянии воспроизвести изображение звезды в виде точки, поскольку это противоречит фундаментальным законам физики. Законам, которые невозможно нарушить.
Точность воспроизведения изображений, даваемая телескопом, зависит от его апертуры — диаметра объектива. Чем она больше, тем меньше становятся угловые размеры дифракционной картины и ее центрального диска. Вот почему телескопы больших диаметров могут разделить более тесные двойные звезды и позволяют увидеть больше деталей на планетах.
Давайте проведем один эксперимент, с помощью которого вы сможете узнать как выглядит дифракционная картина почти идеального объектива. Это изображение и станет тем стандартом, с которым вы впоследствии будете сравнивать реальные дифракционные картины тестируемых инструментов. Чтобы эксперимент прошел успешно, нам понадобится телескоп с неповрежденной и достаточно хорошо отъюстированной оптикой.
Прежде всего, возьмите лист картона или плотной бумаги и вырежьте в нем круглое отверстие диаметром 2,5-5 см. Для телескопов с фокусным расстоянием объектива менее 750 мм подойдет отверстие 2,5-3 см, при большем фокусном расстоянии объектива вырежьте отверстие диаметром 5 см.
Полученный лист картона надо закрепить перед объективом таким образом, чтобы отверстие, если у вас — рефрактор, оказалось по центру, а если рефлектор — немного с края, чтобы входящий свет миновал вторичное зеркало и растяжки его крепления к трубе.
Наведите телескоп на какую-нибудь яркую звезду (например, Вегу или Капеллу), которая в данный момент находится высоко над горизонтом, и установите увеличение в 20-40 раз больше диаметра объектива в сантиметрах. Взглянув в окуляр, вы увидите дифракционную картину — пятно света, окруженное, в зависимости от спокойствия атмосферы, одним или более концентрическими кольцами.
Теперь начинайте потихоньку расфокусировать изображение звезды. При этом вы увидите расширяющиеся кольца, зарождающиеся в центре светового пятна, подобно тому, как расходятся волны от камня, брошенного в воду. Расфокусируйте изображение до тех пор, пока вы не увидите 4-6 таких колец. Обратите внимание, что свет распределен по кольцам более или менее равномерно.
Запомнив вид дифракционной картины, начинайте двигать окуляр в противоположную сторону.
Пройдя точку фокуса, вы вновь увидите расширяющиеся кольца света. Причем, картина должна быть полностью аналогична предыдущей. Изображение звезды по обе стороны от фокуса должно выглядеть совершенно одинаково — это главный показатель качества оптики. Высококачественные телескопы должны давать похожую дифракционную картину по обе стороны от фокуса при полностью открытой апертуре.
НАЧИНАЕМ ТЕСТИРОВАНИЕ
Пришло время начать тестирование оптики. Это очень легко сделать: просто откройте полностью объектив, сняв нашу картонку с отверстием. Главная задача — сравнить вид дифракционной картины, даваемой объективом телескопа, по обе стороны от фокуса. На этой стадии уже нет необходимости четко видеть диск Эри, поэтому увеличение телескопа можно уменьшить до величины в 8-10 раз большей диаметра объектива в сантиметрах.
Наведите телескоп на одну из ярких звезд, приведя ее изображение в центр поля зрения. Выведите изображение из фокуса, чтобы стало видно 4-8 колец. Не переборщите с расфокусировкой — иначе потеряется чувствительность теста. С другой стороны, если недостаточно расфокусировать звезду, то трудно будет определить причины, порождающие изображения плохого качества. Поэтому в этом моменте важно найти «золотую середину».
Диаметр объектива
Диаметр кружка Эри
Дюймы
Миллиметры
Секунды ('')
1
24.5
5.4
2,4
60
2.3
3
76.2
1.8
3.2
80
1.7
4
102
1.4
4.3
108
1.3
5
127
1.1
6
152
0.9
8
203
0.7
10
254
0.5
12.5
318
0.4
17.5
445
0.3
Если вы видите, что дифракционная картина по обе стороны от фокуса выглядит неодинаково, то весьма вероятно, что оптика испытуемого вами телескопа страдает сферической аберрацией. Сферическая аберрация возникает, когда зеркало или линза не в состоянии свести входящие параллельные лучи света в одну точку. В результате изображение никогда не становится резким. Возможен следующий случай: перед фокусом (ближе к объективу телескопа) лучи концентрируются по краям диска, а позади фокуса (дальше от объектива телескопа) — к центру. Это приводит к тому, что дифракционная картина по разные стороны от фокуса выглядит неодинаково. Сферическая аберрация часто встречается у рефлекторов, главное зеркало которых плохо параболизировано.
Линзовые объективы рефракторов, помимо сферической, страдают еще и хроматической аберрацией, когда лучи разных длин волн сходятся в разных точках. У распространенных двухлинзовых ахроматов оранжево-красные и голубовато-зеленые лучи сходятся в немного другой точке, чем желтые и темно-красные. Еще дальше от них находится точка фокуса для фиолетовых лучей. К счастью, человеческий глаз не очень чувствителен к темно-красным и фиолетовым лучам. Хотя, если вы наблюдали яркие планеты в большой рефрактор, то наверняка замечали порожденный хроматической аберрацией фиолетовый ореол, окружающий изображения ярких планет перед фокусом.
При наблюдении белой звезды, например Спики, хроматическая аберрация будет давать следующую картину: перед фокусом (когда видно порядка трех колец) диск приобретает зеленовато-желтый оттенок, возможно, с красной каемкой. При выдвижении окуляра, как только кольца начнут вновь расширяться после прохождения точки фокуса, в центре картины появится слабая красная точка. При дальнейшем выдвижении окуляра вы вновь увидите зеленовато-желтый диск, но уже без красной каймы, а в центре картины появится размытое фиолетовое пятно.
Обратите внимание на еще одну возможную погрешность оптики. Если окрашивание цветом происходит не равномерно, а выглядит как вытянутая полоска в виде маленькой радуги — это может быть сигналом того, что один из компонентов объектива плохо центрирован или наклонен к оптической оси. Однако будьте осторожны — подобную картину может создать атмосфера, действующая как призма, если вы наблюдаете звезду ниже 45° над горизонтом.
Чтобы избежать влияния цветовых искажений на результаты теста, рекомендуется воспользоваться желтым фильтром. Это также полезно и при проверке рефлектора, окуляр которого может вносить свои цветовые искажения.
НЕ ВИНИТЕ ТЕЛЕСКОП
Качество оптики телескопа не всегда является главным виновником плохих изображений. Поэтому, прежде чем грешить на оптику, убедитесь, что влияние всех остальных факторов отсутствует или сведено к минимуму.
Атмосферная турбуленция. В ночи с неспокойной атмосферой изображение звезды дрожит, размывается, делая невозможным какие-либо исследования оптики. Лучше всего отложить тестирование телескопа до следующего раза, когда условия наблюдений будут более благоприятными.
Когда атмосфера неспокойна, дифракционные кольца приобретают рваные неровные края с блуждающими остроконечными выступами.
Потоки воздуха внутри трубы телескопа. Медленно восходящие потоки теплого воздуха внутри трубы вашего телескопа могут создать искажения, маскирующиеся под дефекты оптики. Дифракционная картина при этом, как правило, имеет с одной стороны вытянутый или, наоборот, плоский сектор. Чтобы устранить влияние потоков воздуха, которые обычно появляются при выносе инструмента из теплого помещения, необходимо подождать некоторое время, дабы температура воздуха внутри трубы сравнялась с температурой окружающего воздуха.
Восходящие потоки воздуха внутри трубы - распространенная, но временная трудность.
Окуляр. Чтобы производить тест телескопа по звездам, вам понадобится окуляр высокого качества, как минимум симметричной или ортоскопической систем. Если тест телескопа показывает плохие результаты, а еще важнее, если те же результаты показывает чей-то еще телескоп с вашим окуляром — то подозрение должно пасть именно на окуляр.
Гпаза. Если у вас дальнозоркость или близорукость, то дляпроведения теста очки лучше всего снять. Однако, если ваши глаза имеют астигматизм, то очки необходимо оставить.
Юстировка телескопа. Телескопы, оптика которых плохо отъюстирована, будут показывать плохие результаты при тестировании. Для устранения этого недостатка в телескопах предусмотрены специальные юстировочные винты, позволяющие привести все компоненты системы на одну оптическую ось. Методы юстировки обычно описываются в инструкции к телескопу (смотрите также следующую статью «Как юстировать оптику телескопа-рефлектора»).
Если по обе стороны от фокуса вы видите одинаковую асимметрию колец - это верный признак того, что оптика телескопа нуждается в юстировке
Пережатая оптика. Неправильно закрепленная в оправе оптика может вызывать весьма необычные искажения дифракционной картины. Большинство проверенных мной рефлекторов с пережатым главным зеркалом давали дифракционные картины трех- или шестиугольной формы. Устранить этот недостаток можно, немного ослабив винты, крепящие зеркало в оправе.
Чаще всего подобную картину можно наблюдать в телескопе-рефлекторе, главное зеркало которого сильно пережато в оправе.
ДЕФЕКТЫ ОПТИКИ
Итак, мы подошли к самому главному вопросу: имеет ли оптика данного телескопа какие-либо дефекты и насколько сильно они выражены? Ошибки оптических поверхностей, вызванные различными причинами, смешиваясь, сказываются на виде дифракционной картины, которая может отличаться от приведенных здесь иллюстраций, на которых показано «чистое» влияние различных дефектов оптики. Чаще всего, однако, влияние одного из недостатков значительно превалирует над остальными, делая оценки теста достаточно однозначными.
Сферическая аберрация
Выше мы уже рассматривали этот вид искажений, вызванный неспособностью зеркала или линзы свести параллельно входящие лучи света в одну точку. В результате сферической аберрации, в центре дифракционной картины с одной стороны от фокуса образуется темная область. Однако здесь необходимо сделать одно важное замечание: будьте осторожны, не спутайте сферическую аберрацию с тенью от вторичного зеркала. Дело в том, что в телескопах, имеющих затемнение объектива от вторичного зеркала (рефлекторы, менисковые телескопы), при расфокусировании звезды в центре светового пятна появляется расширяющаяся темная область. Но в отличие от сферической аберрации, это темное пятно одинаково появляется как впереди, так и позади фокуса.
Зональные ошибки
Зональные ошибки — это мелкие углубления или невысокие бугорки, располагающиеся в виде колец на оптической поверхности. От этого недостатка часто страдают оптические детали, изготовленные на станках. В отдельных случаях зональные ошибки приводят к ощутимой потере качества изображения. Чтобы выявить наличие этого дефекта, следует расфокусировать изображение звезды немного больше, чем для других проверок. Наличие одного или нескольких слабых колец в дифракционной картине с одной из сторон от фокуса будет свидетельствовать о наличии зональных ошибок.
«Провалы» в дифракционной картине, вызванные зональными ошибками, лучше всего видны при сильно расфокусированном изображении.
Завал края
Особый случай зональной ошибки — это завал края. Чаще всего он вызывается чрезмерно сильным давлением на зеркало или линзу во время полировки. Завал края является серьезным дефектом оптики, так как большая доля зеркала или линзы как бы выбывает «из игры».
В рефлекторах завал края обнаруживает свое присутствие во время тестирования размытием края центрального диска при сдвиге окуляра ближе к объективу. С другой стороны от фокуса дифракционная картина оказывается неискаженной, так как завал края здесь почти не оказывает влияния. У рефрактора наоборот, центральный диск имеет размытые, неровные края, когда окуляр находится позади фокуса. Но у рефрактора края линз обычно «спрятаны» в креплениях, поэтому на качество изображения завал края у телескопов этого типа сказывается гораздо меньше, чем у рефлекторов.
При завале края у главного зеркала резко падает контраст дифракционной картины перед фокусом. Зафокальная дифракционная картина остается практически неискаженной.
Астигматизм
Этот недостаток оптических систем проявляется в вытягивании круглых дифракционных колец в эллипсы, ориентация которых различается на 90° по разные стороны от фокуса. Поэтому самый легкий способ обнаружения астигматизма в системе — быстро вдвигать-вы-двигать окуляр, проходя точку фокуса. Причем, слабый астигматизм легче заметить когда звезда лишь немного расфокусирована.
Убедившись в наличии следов астигматизма в дифракционной картине, сделайте еще несколько проверок. Часто астигматизм возникает вследствие плохой юстировки телескопа. Кроме того, многие люди имеют астигматизм зрения, даже не подозревая об этом. Чтобы проверить, не являются ли причиной астигматизма ваши глаза, попробуйте покрутить головой, следя, не изменяется ли ориентация дифракционных эллипсов вместе с вращением головы. Если ориентация изменяется — значит виноваты глаза. Проверьте также, не возникает ли астигматизм из-за окуляра, для чего повращайте окуляр по и против часовой стрелки. Если эллипсы тоже начали вращаться — значит виноват окуляр.
Астигматизм также может оказаться симптомом неправильно закрепленной оптики. Если вы обнаружили астигматизм у рефлектора системы Ньютона, то попробуйте немного ослабить зажимы главного и диагонального зеркала в оправе. У рефракторов это сделать вряд ли удастся, поэтому наличие астигматизма у этого типа телескопов является причиной предъявления претензий фирме-производителю, неправильно установившей линзы в оправу.
Астигматизм в рефлекторах системы Ньютона может возникать вследствие того, что поверхность диагонального зеркала имеет отклонения от плоскости. В этом можно убедиться, повернув главное зеркало на 45°. Посмотрите, изменилась ли ориентация эллипсов на тот же угол. Если нет, то проблема заключается в некачественно изготовленном вторичном зеркале или плохой юстировке телескопа.
Большие полуоси эллипсов, вызываемых астигматизмом, поворачиваются на 90° при переходе фокальной плоскости.
Шероховатость поверхности
Еще одна распространенная проблема оптических поверхностей — сеть бугорков или впадин (рябь), появившихся после грубой обработки полировальной машиной. В звездном тесте этот недостаток проявляется в резком уменьшении контраста между дифракционными кольцами, а также в появлении остроконечных выступов. Однако не спутайте их с дифракцией на растяжках диагонального зеркала, выступы от которых располагаются через равные углы (обычно 60° или 90°). Вид дифракционной картины, вызванный шероховатостью поверхности оптики, очень похож на дифракционную картину, создаваемую неспокойствием атмосферы. Но есть одно важное отличие — атмосферные искажения все время движутся, то исчезая, то появляясь вновь, а вот ошибки оптики — остаются на месте.
Вид дифракционной картины, вызванный шероховатостью поверхности оптики, очень похож на картину, создаваемую неспокойствием атмосферы. Но есть одно важное отличие - атмосферные искажения все время движутся, то исчезая, то появляясь вновь, а ошибки оптики - остаются на месте.
ЧТО ДЕЛАТЬ, ЕСЛИ…
Практически все телескопы обнаруживают более или менее заметные отклонения от идеальной дифракционной картины во время проведения теста по звездам. И это не потому, что все они — плохие инструменты. Просто этот метод является чрезвычайно чувствительным даже к самым незначительным ошибкам оптики. Он более чувствителен, чем тест Фуко или Ронки-тест. Поэтому прежде чем выносить приговор инструменту, подумайте вот о чем.
Допустим, самое страшное уже произошло — ваш инструмент не выдерживает проверки по звездам. Не спешите сразу же избавиться от этого телескопа. Возможно, что вы в чем-то ошиблись. Хотя описанные здесь приемы тестирования оптики достаточно просты, они, тем не менее, требуют приобретения некоторого опыта. Попробуйте посоветоваться с кем-нибудь из более опытных товарищей. Попытайтесь протестировать еще чей-нибудь телескоп (опять же, не торопитесь с категоричными заявлениями, если вам кажется, что вы обнаружили какие-то проблемы у телескопа вашего знакомого — не всем подобная «радостная» новость может понравиться).
И, наконец, спросите себя, а насколько хорош мой телескоп должен быть? Конечно, все мы хотим пользоваться только первоклассным оборудованием, но можно ли требовать превосходных изображений от недорогой подзорной трубы? Я встречал множество любителей астрономии, получавших громадное удовольствие от наблюдений неба с помощью телескопов, которые имели серьезные дефекты оптики. Другие могли долгое время оставлять пылиться в кладовой инструменты, качество которых приближалось к совершенству. Поэтому здесь хочется повторить одну старую истину: самый лучший телескоп не тот, который показывает идеальные оптические характеристики, а тот, который вы чаще всего используете во время наблюдений.
Харольд Сьютер — американский астроном, автор книги «Star Testing Astronomical Telescopes».
Перевод С. Аксёнов
